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[NFC] fix trivial typos in documents and comments
[android-x86/external-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / NewGVN.cpp
1 //===- NewGVN.cpp - Global Value Numbering Pass ---------------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 /// \file
11 /// This file implements the new LLVM's Global Value Numbering pass.
12 /// GVN partitions values computed by a function into congruence classes.
13 /// Values ending up in the same congruence class are guaranteed to be the same
14 /// for every execution of the program. In that respect, congruency is a
15 /// compile-time approximation of equivalence of values at runtime.
16 /// The algorithm implemented here uses a sparse formulation and it's based
17 /// on the ideas described in the paper:
18 /// "A Sparse Algorithm for Predicated Global Value Numbering" from
19 /// Karthik Gargi.
20 ///
21 /// A brief overview of the algorithm: The algorithm is essentially the same as
22 /// the standard RPO value numbering algorithm (a good reference is the paper
23 /// "SCC based value numbering" by L. Taylor Simpson) with one major difference:
24 /// The RPO algorithm proceeds, on every iteration, to process every reachable
25 /// block and every instruction in that block.  This is because the standard RPO
26 /// algorithm does not track what things have the same value number, it only
27 /// tracks what the value number of a given operation is (the mapping is
28 /// operation -> value number).  Thus, when a value number of an operation
29 /// changes, it must reprocess everything to ensure all uses of a value number
30 /// get updated properly.  In constrast, the sparse algorithm we use *also*
31 /// tracks what operations have a given value number (IE it also tracks the
32 /// reverse mapping from value number -> operations with that value number), so
33 /// that it only needs to reprocess the instructions that are affected when
34 /// something's value number changes.  The vast majority of complexity and code
35 /// in this file is devoted to tracking what value numbers could change for what
36 /// instructions when various things happen.  The rest of the algorithm is
37 /// devoted to performing symbolic evaluation, forward propagation, and
38 /// simplification of operations based on the value numbers deduced so far
39 ///
40 /// In order to make the GVN mostly-complete, we use a technique derived from
41 /// "Detection of Redundant Expressions: A Complete and Polynomial-time
42 /// Algorithm in SSA" by R.R. Pai.  The source of incompleteness in most SSA
43 /// based GVN algorithms is related to their inability to detect equivalence
44 /// between phi of ops (IE phi(a+b, c+d)) and op of phis (phi(a,c) + phi(b, d)).
45 /// We resolve this issue by generating the equivalent "phi of ops" form for
46 /// each op of phis we see, in a way that only takes polynomial time to resolve.
47 ///
48 /// We also do not perform elimination by using any published algorithm.  All
49 /// published algorithms are O(Instructions). Instead, we use a technique that
50 /// is O(number of operations with the same value number), enabling us to skip
51 /// trying to eliminate things that have unique value numbers.
52 //
53 //===----------------------------------------------------------------------===//
54
55 #include "llvm/Transforms/Scalar/NewGVN.h"
56 #include "llvm/ADT/ArrayRef.h"
57 #include "llvm/ADT/BitVector.h"
58 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
59 #include "llvm/ADT/DenseMapInfo.h"
60 #include "llvm/ADT/DenseSet.h"
61 #include "llvm/ADT/DepthFirstIterator.h"
62 #include "llvm/ADT/GraphTraits.h"
63 #include "llvm/ADT/Hashing.h"
64 #include "llvm/ADT/PointerIntPair.h"
65 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
66 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
67 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
68 #include "llvm/ADT/SparseBitVector.h"
69 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
70 #include "llvm/ADT/iterator_range.h"
71 #include "llvm/Analysis/AliasAnalysis.h"
72 #include "llvm/Analysis/AssumptionCache.h"
73 #include "llvm/Analysis/CFGPrinter.h"
74 #include "llvm/Analysis/ConstantFolding.h"
75 #include "llvm/Analysis/GlobalsModRef.h"
76 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
77 #include "llvm/Analysis/MemoryBuiltins.h"
78 #include "llvm/Analysis/MemorySSA.h"
79 #include "llvm/Analysis/TargetLibraryInfo.h"
80 #include "llvm/Analysis/Utils/Local.h"
81 #include "llvm/IR/Argument.h"
82 #include "llvm/IR/BasicBlock.h"
83 #include "llvm/IR/Constant.h"
84 #include "llvm/IR/Constants.h"
85 #include "llvm/IR/Dominators.h"
86 #include "llvm/IR/Function.h"
87 #include "llvm/IR/InstrTypes.h"
88 #include "llvm/IR/Instruction.h"
89 #include "llvm/IR/Instructions.h"
90 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
91 #include "llvm/IR/Intrinsics.h"
92 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
93 #include "llvm/IR/Type.h"
94 #include "llvm/IR/Use.h"
95 #include "llvm/IR/User.h"
96 #include "llvm/IR/Value.h"
97 #include "llvm/Pass.h"
98 #include "llvm/Support/Allocator.h"
99 #include "llvm/Support/ArrayRecycler.h"
100 #include "llvm/Support/Casting.h"
101 #include "llvm/Support/CommandLine.h"
102 #include "llvm/Support/Debug.h"
103 #include "llvm/Support/DebugCounter.h"
104 #include "llvm/Support/ErrorHandling.h"
105 #include "llvm/Support/PointerLikeTypeTraits.h"
106 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
107 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
108 #include "llvm/Transforms/Scalar/GVNExpression.h"
109 #include "llvm/Transforms/Utils/PredicateInfo.h"
110 #include "llvm/Transforms/Utils/VNCoercion.h"
111 #include <algorithm>
112 #include <cassert>
113 #include <cstdint>
114 #include <iterator>
115 #include <map>
116 #include <memory>
117 #include <set>
118 #include <string>
119 #include <tuple>
120 #include <utility>
121 #include <vector>
122
123 using namespace llvm;
124 using namespace llvm::GVNExpression;
125 using namespace llvm::VNCoercion;
126
127 #define DEBUG_TYPE "newgvn"
128
129 STATISTIC(NumGVNInstrDeleted, "Number of instructions deleted");
130 STATISTIC(NumGVNBlocksDeleted, "Number of blocks deleted");
131 STATISTIC(NumGVNOpsSimplified, "Number of Expressions simplified");
132 STATISTIC(NumGVNPhisAllSame, "Number of PHIs whos arguments are all the same");
133 STATISTIC(NumGVNMaxIterations,
134           "Maximum Number of iterations it took to converge GVN");
135 STATISTIC(NumGVNLeaderChanges, "Number of leader changes");
136 STATISTIC(NumGVNSortedLeaderChanges, "Number of sorted leader changes");
137 STATISTIC(NumGVNAvoidedSortedLeaderChanges,
138           "Number of avoided sorted leader changes");
139 STATISTIC(NumGVNDeadStores, "Number of redundant/dead stores eliminated");
140 STATISTIC(NumGVNPHIOfOpsCreated, "Number of PHI of ops created");
141 STATISTIC(NumGVNPHIOfOpsEliminations,
142           "Number of things eliminated using PHI of ops");
143 DEBUG_COUNTER(VNCounter, "newgvn-vn",
144               "Controls which instructions are value numbered");
145 DEBUG_COUNTER(PHIOfOpsCounter, "newgvn-phi",
146               "Controls which instructions we create phi of ops for");
147 // Currently store defining access refinement is too slow due to basicaa being
148 // egregiously slow.  This flag lets us keep it working while we work on this
149 // issue.
150 static cl::opt<bool> EnableStoreRefinement("enable-store-refinement",
151                                            cl::init(false), cl::Hidden);
152
153 /// Currently, the generation "phi of ops" can result in correctness issues.
154 static cl::opt<bool> EnablePhiOfOps("enable-phi-of-ops", cl::init(true),
155                                     cl::Hidden);
156
157 //===----------------------------------------------------------------------===//
158 //                                GVN Pass
159 //===----------------------------------------------------------------------===//
160
161 // Anchor methods.
162 namespace llvm {
163 namespace GVNExpression {
164
165 Expression::~Expression() = default;
166 BasicExpression::~BasicExpression() = default;
167 CallExpression::~CallExpression() = default;
168 LoadExpression::~LoadExpression() = default;
169 StoreExpression::~StoreExpression() = default;
170 AggregateValueExpression::~AggregateValueExpression() = default;
171 PHIExpression::~PHIExpression() = default;
172
173 } // end namespace GVNExpression
174 } // end namespace llvm
175
176 namespace {
177
178 // Tarjan's SCC finding algorithm with Nuutila's improvements
179 // SCCIterator is actually fairly complex for the simple thing we want.
180 // It also wants to hand us SCC's that are unrelated to the phi node we ask
181 // about, and have us process them there or risk redoing work.
182 // Graph traits over a filter iterator also doesn't work that well here.
183 // This SCC finder is specialized to walk use-def chains, and only follows
184 // instructions,
185 // not generic values (arguments, etc).
186 struct TarjanSCC {
187   TarjanSCC() : Components(1) {}
188
189   void Start(const Instruction *Start) {
190     if (Root.lookup(Start) == 0)
191       FindSCC(Start);
192   }
193
194   const SmallPtrSetImpl<const Value *> &getComponentFor(const Value *V) const {
195     unsigned ComponentID = ValueToComponent.lookup(V);
196
197     assert(ComponentID > 0 &&
198            "Asking for a component for a value we never processed");
199     return Components[ComponentID];
200   }
201
202 private:
203   void FindSCC(const Instruction *I) {
204     Root[I] = ++DFSNum;
205     // Store the DFS Number we had before it possibly gets incremented.
206     unsigned int OurDFS = DFSNum;
207     for (auto &Op : I->operands()) {
208       if (auto *InstOp = dyn_cast<Instruction>(Op)) {
209         if (Root.lookup(Op) == 0)
210           FindSCC(InstOp);
211         if (!InComponent.count(Op))
212           Root[I] = std::min(Root.lookup(I), Root.lookup(Op));
213       }
214     }
215     // See if we really were the root of a component, by seeing if we still have
216     // our DFSNumber.  If we do, we are the root of the component, and we have
217     // completed a component. If we do not, we are not the root of a component,
218     // and belong on the component stack.
219     if (Root.lookup(I) == OurDFS) {
220       unsigned ComponentID = Components.size();
221       Components.resize(Components.size() + 1);
222       auto &Component = Components.back();
223       Component.insert(I);
224       DEBUG(dbgs() << "Component root is " << *I << "\n");
225       InComponent.insert(I);
226       ValueToComponent[I] = ComponentID;
227       // Pop a component off the stack and label it.
228       while (!Stack.empty() && Root.lookup(Stack.back()) >= OurDFS) {
229         auto *Member = Stack.back();
230         DEBUG(dbgs() << "Component member is " << *Member << "\n");
231         Component.insert(Member);
232         InComponent.insert(Member);
233         ValueToComponent[Member] = ComponentID;
234         Stack.pop_back();
235       }
236     } else {
237       // Part of a component, push to stack
238       Stack.push_back(I);
239     }
240   }
241
242   unsigned int DFSNum = 1;
243   SmallPtrSet<const Value *, 8> InComponent;
244   DenseMap<const Value *, unsigned int> Root;
245   SmallVector<const Value *, 8> Stack;
246
247   // Store the components as vector of ptr sets, because we need the topo order
248   // of SCC's, but not individual member order
249   SmallVector<SmallPtrSet<const Value *, 8>, 8> Components;
250
251   DenseMap<const Value *, unsigned> ValueToComponent;
252 };
253
254 // Congruence classes represent the set of expressions/instructions
255 // that are all the same *during some scope in the function*.
256 // That is, because of the way we perform equality propagation, and
257 // because of memory value numbering, it is not correct to assume
258 // you can willy-nilly replace any member with any other at any
259 // point in the function.
260 //
261 // For any Value in the Member set, it is valid to replace any dominated member
262 // with that Value.
263 //
264 // Every congruence class has a leader, and the leader is used to symbolize
265 // instructions in a canonical way (IE every operand of an instruction that is a
266 // member of the same congruence class will always be replaced with leader
267 // during symbolization).  To simplify symbolization, we keep the leader as a
268 // constant if class can be proved to be a constant value.  Otherwise, the
269 // leader is the member of the value set with the smallest DFS number.  Each
270 // congruence class also has a defining expression, though the expression may be
271 // null.  If it exists, it can be used for forward propagation and reassociation
272 // of values.
273
274 // For memory, we also track a representative MemoryAccess, and a set of memory
275 // members for MemoryPhis (which have no real instructions). Note that for
276 // memory, it seems tempting to try to split the memory members into a
277 // MemoryCongruenceClass or something.  Unfortunately, this does not work
278 // easily.  The value numbering of a given memory expression depends on the
279 // leader of the memory congruence class, and the leader of memory congruence
280 // class depends on the value numbering of a given memory expression.  This
281 // leads to wasted propagation, and in some cases, missed optimization.  For
282 // example: If we had value numbered two stores together before, but now do not,
283 // we move them to a new value congruence class.  This in turn will move at one
284 // of the memorydefs to a new memory congruence class.  Which in turn, affects
285 // the value numbering of the stores we just value numbered (because the memory
286 // congruence class is part of the value number).  So while theoretically
287 // possible to split them up, it turns out to be *incredibly* complicated to get
288 // it to work right, because of the interdependency.  While structurally
289 // slightly messier, it is algorithmically much simpler and faster to do what we
290 // do here, and track them both at once in the same class.
291 // Note: The default iterators for this class iterate over values
292 class CongruenceClass {
293 public:
294   using MemberType = Value;
295   using MemberSet = SmallPtrSet<MemberType *, 4>;
296   using MemoryMemberType = MemoryPhi;
297   using MemoryMemberSet = SmallPtrSet<const MemoryMemberType *, 2>;
298
299   explicit CongruenceClass(unsigned ID) : ID(ID) {}
300   CongruenceClass(unsigned ID, Value *Leader, const Expression *E)
301       : ID(ID), RepLeader(Leader), DefiningExpr(E) {}
302
303   unsigned getID() const { return ID; }
304
305   // True if this class has no members left.  This is mainly used for assertion
306   // purposes, and for skipping empty classes.
307   bool isDead() const {
308     // If it's both dead from a value perspective, and dead from a memory
309     // perspective, it's really dead.
310     return empty() && memory_empty();
311   }
312
313   // Leader functions
314   Value *getLeader() const { return RepLeader; }
315   void setLeader(Value *Leader) { RepLeader = Leader; }
316   const std::pair<Value *, unsigned int> &getNextLeader() const {
317     return NextLeader;
318   }
319   void resetNextLeader() { NextLeader = {nullptr, ~0}; }
320   void addPossibleNextLeader(std::pair<Value *, unsigned int> LeaderPair) {
321     if (LeaderPair.second < NextLeader.second)
322       NextLeader = LeaderPair;
323   }
324
325   Value *getStoredValue() const { return RepStoredValue; }
326   void setStoredValue(Value *Leader) { RepStoredValue = Leader; }
327   const MemoryAccess *getMemoryLeader() const { return RepMemoryAccess; }
328   void setMemoryLeader(const MemoryAccess *Leader) { RepMemoryAccess = Leader; }
329
330   // Forward propagation info
331   const Expression *getDefiningExpr() const { return DefiningExpr; }
332
333   // Value member set
334   bool empty() const { return Members.empty(); }
335   unsigned size() const { return Members.size(); }
336   MemberSet::const_iterator begin() const { return Members.begin(); }
337   MemberSet::const_iterator end() const { return Members.end(); }
338   void insert(MemberType *M) { Members.insert(M); }
339   void erase(MemberType *M) { Members.erase(M); }
340   void swap(MemberSet &Other) { Members.swap(Other); }
341
342   // Memory member set
343   bool memory_empty() const { return MemoryMembers.empty(); }
344   unsigned memory_size() const { return MemoryMembers.size(); }
345   MemoryMemberSet::const_iterator memory_begin() const {
346     return MemoryMembers.begin();
347   }
348   MemoryMemberSet::const_iterator memory_end() const {
349     return MemoryMembers.end();
350   }
351   iterator_range<MemoryMemberSet::const_iterator> memory() const {
352     return make_range(memory_begin(), memory_end());
353   }
354
355   void memory_insert(const MemoryMemberType *M) { MemoryMembers.insert(M); }
356   void memory_erase(const MemoryMemberType *M) { MemoryMembers.erase(M); }
357
358   // Store count
359   unsigned getStoreCount() const { return StoreCount; }
360   void incStoreCount() { ++StoreCount; }
361   void decStoreCount() {
362     assert(StoreCount != 0 && "Store count went negative");
363     --StoreCount;
364   }
365
366   // True if this class has no memory members.
367   bool definesNoMemory() const { return StoreCount == 0 && memory_empty(); }
368
369   // Return true if two congruence classes are equivalent to each other.  This
370   // means
371   // that every field but the ID number and the dead field are equivalent.
372   bool isEquivalentTo(const CongruenceClass *Other) const {
373     if (!Other)
374       return false;
375     if (this == Other)
376       return true;
377
378     if (std::tie(StoreCount, RepLeader, RepStoredValue, RepMemoryAccess) !=
379         std::tie(Other->StoreCount, Other->RepLeader, Other->RepStoredValue,
380                  Other->RepMemoryAccess))
381       return false;
382     if (DefiningExpr != Other->DefiningExpr)
383       if (!DefiningExpr || !Other->DefiningExpr ||
384           *DefiningExpr != *Other->DefiningExpr)
385         return false;
386     // We need some ordered set
387     std::set<Value *> AMembers(Members.begin(), Members.end());
388     std::set<Value *> BMembers(Members.begin(), Members.end());
389     return AMembers == BMembers;
390   }
391
392 private:
393   unsigned ID;
394
395   // Representative leader.
396   Value *RepLeader = nullptr;
397
398   // The most dominating leader after our current leader, because the member set
399   // is not sorted and is expensive to keep sorted all the time.
400   std::pair<Value *, unsigned int> NextLeader = {nullptr, ~0U};
401
402   // If this is represented by a store, the value of the store.
403   Value *RepStoredValue = nullptr;
404
405   // If this class contains MemoryDefs or MemoryPhis, this is the leading memory
406   // access.
407   const MemoryAccess *RepMemoryAccess = nullptr;
408
409   // Defining Expression.
410   const Expression *DefiningExpr = nullptr;
411
412   // Actual members of this class.
413   MemberSet Members;
414
415   // This is the set of MemoryPhis that exist in the class. MemoryDefs and
416   // MemoryUses have real instructions representing them, so we only need to
417   // track MemoryPhis here.
418   MemoryMemberSet MemoryMembers;
419
420   // Number of stores in this congruence class.
421   // This is used so we can detect store equivalence changes properly.
422   int StoreCount = 0;
423 };
424
425 } // end anonymous namespace
426
427 namespace llvm {
428
429 struct ExactEqualsExpression {
430   const Expression &E;
431
432   explicit ExactEqualsExpression(const Expression &E) : E(E) {}
433
434   hash_code getComputedHash() const { return E.getComputedHash(); }
435
436   bool operator==(const Expression &Other) const {
437     return E.exactlyEquals(Other);
438   }
439 };
440
441 template <> struct DenseMapInfo<const Expression *> {
442   static const Expression *getEmptyKey() {
443     auto Val = static_cast<uintptr_t>(-1);
444     Val <<= PointerLikeTypeTraits<const Expression *>::NumLowBitsAvailable;
445     return reinterpret_cast<const Expression *>(Val);
446   }
447
448   static const Expression *getTombstoneKey() {
449     auto Val = static_cast<uintptr_t>(~1U);
450     Val <<= PointerLikeTypeTraits<const Expression *>::NumLowBitsAvailable;
451     return reinterpret_cast<const Expression *>(Val);
452   }
453
454   static unsigned getHashValue(const Expression *E) {
455     return E->getComputedHash();
456   }
457
458   static unsigned getHashValue(const ExactEqualsExpression &E) {
459     return E.getComputedHash();
460   }
461
462   static bool isEqual(const ExactEqualsExpression &LHS, const Expression *RHS) {
463     if (RHS == getTombstoneKey() || RHS == getEmptyKey())
464       return false;
465     return LHS == *RHS;
466   }
467
468   static bool isEqual(const Expression *LHS, const Expression *RHS) {
469     if (LHS == RHS)
470       return true;
471     if (LHS == getTombstoneKey() || RHS == getTombstoneKey() ||
472         LHS == getEmptyKey() || RHS == getEmptyKey())
473       return false;
474     // Compare hashes before equality.  This is *not* what the hashtable does,
475     // since it is computing it modulo the number of buckets, whereas we are
476     // using the full hash keyspace.  Since the hashes are precomputed, this
477     // check is *much* faster than equality.
478     if (LHS->getComputedHash() != RHS->getComputedHash())
479       return false;
480     return *LHS == *RHS;
481   }
482 };
483
484 } // end namespace llvm
485
486 namespace {
487
488 class NewGVN {
489   Function &F;
490   DominatorTree *DT;
491   const TargetLibraryInfo *TLI;
492   AliasAnalysis *AA;
493   MemorySSA *MSSA;
494   MemorySSAWalker *MSSAWalker;
495   const DataLayout &DL;
496   std::unique_ptr<PredicateInfo> PredInfo;
497
498   // These are the only two things the create* functions should have
499   // side-effects on due to allocating memory.
500   mutable BumpPtrAllocator ExpressionAllocator;
501   mutable ArrayRecycler<Value *> ArgRecycler;
502   mutable TarjanSCC SCCFinder;
503   const SimplifyQuery SQ;
504
505   // Number of function arguments, used by ranking
506   unsigned int NumFuncArgs;
507
508   // RPOOrdering of basic blocks
509   DenseMap<const DomTreeNode *, unsigned> RPOOrdering;
510
511   // Congruence class info.
512
513   // This class is called INITIAL in the paper. It is the class everything
514   // startsout in, and represents any value. Being an optimistic analysis,
515   // anything in the TOP class has the value TOP, which is indeterminate and
516   // equivalent to everything.
517   CongruenceClass *TOPClass;
518   std::vector<CongruenceClass *> CongruenceClasses;
519   unsigned NextCongruenceNum;
520
521   // Value Mappings.
522   DenseMap<Value *, CongruenceClass *> ValueToClass;
523   DenseMap<Value *, const Expression *> ValueToExpression;
524
525   // Value PHI handling, used to make equivalence between phi(op, op) and
526   // op(phi, phi).
527   // These mappings just store various data that would normally be part of the
528   // IR.
529   SmallPtrSet<const Instruction *, 8> PHINodeUses;
530
531   DenseMap<const Value *, bool> OpSafeForPHIOfOps;
532
533   // Map a temporary instruction we created to a parent block.
534   DenseMap<const Value *, BasicBlock *> TempToBlock;
535
536   // Map between the already in-program instructions and the temporary phis we
537   // created that they are known equivalent to.
538   DenseMap<const Value *, PHINode *> RealToTemp;
539
540   // In order to know when we should re-process instructions that have
541   // phi-of-ops, we track the set of expressions that they needed as
542   // leaders. When we discover new leaders for those expressions, we process the
543   // associated phi-of-op instructions again in case they have changed.  The
544   // other way they may change is if they had leaders, and those leaders
545   // disappear.  However, at the point they have leaders, there are uses of the
546   // relevant operands in the created phi node, and so they will get reprocessed
547   // through the normal user marking we perform.
548   mutable DenseMap<const Value *, SmallPtrSet<Value *, 2>> AdditionalUsers;
549   DenseMap<const Expression *, SmallPtrSet<Instruction *, 2>>
550       ExpressionToPhiOfOps;
551
552   // Map from temporary operation to MemoryAccess.
553   DenseMap<const Instruction *, MemoryUseOrDef *> TempToMemory;
554
555   // Set of all temporary instructions we created.
556   // Note: This will include instructions that were just created during value
557   // numbering.  The way to test if something is using them is to check
558   // RealToTemp.
559   DenseSet<Instruction *> AllTempInstructions;
560
561   // This is the set of instructions to revisit on a reachability change.  At
562   // the end of the main iteration loop it will contain at least all the phi of
563   // ops instructions that will be changed to phis, as well as regular phis.
564   // During the iteration loop, it may contain other things, such as phi of ops
565   // instructions that used edge reachability to reach a result, and so need to
566   // be revisited when the edge changes, independent of whether the phi they
567   // depended on changes.
568   DenseMap<BasicBlock *, SparseBitVector<>> RevisitOnReachabilityChange;
569
570   // Mapping from predicate info we used to the instructions we used it with.
571   // In order to correctly ensure propagation, we must keep track of what
572   // comparisons we used, so that when the values of the comparisons change, we
573   // propagate the information to the places we used the comparison.
574   mutable DenseMap<const Value *, SmallPtrSet<Instruction *, 2>>
575       PredicateToUsers;
576
577   // the same reasoning as PredicateToUsers.  When we skip MemoryAccesses for
578   // stores, we no longer can rely solely on the def-use chains of MemorySSA.
579   mutable DenseMap<const MemoryAccess *, SmallPtrSet<MemoryAccess *, 2>>
580       MemoryToUsers;
581
582   // A table storing which memorydefs/phis represent a memory state provably
583   // equivalent to another memory state.
584   // We could use the congruence class machinery, but the MemoryAccess's are
585   // abstract memory states, so they can only ever be equivalent to each other,
586   // and not to constants, etc.
587   DenseMap<const MemoryAccess *, CongruenceClass *> MemoryAccessToClass;
588
589   // We could, if we wanted, build MemoryPhiExpressions and
590   // MemoryVariableExpressions, etc, and value number them the same way we value
591   // number phi expressions.  For the moment, this seems like overkill.  They
592   // can only exist in one of three states: they can be TOP (equal to
593   // everything), Equivalent to something else, or unique.  Because we do not
594   // create expressions for them, we need to simulate leader change not just
595   // when they change class, but when they change state.  Note: We can do the
596   // same thing for phis, and avoid having phi expressions if we wanted, We
597   // should eventually unify in one direction or the other, so this is a little
598   // bit of an experiment in which turns out easier to maintain.
599   enum MemoryPhiState { MPS_Invalid, MPS_TOP, MPS_Equivalent, MPS_Unique };
600   DenseMap<const MemoryPhi *, MemoryPhiState> MemoryPhiState;
601
602   enum InstCycleState { ICS_Unknown, ICS_CycleFree, ICS_Cycle };
603   mutable DenseMap<const Instruction *, InstCycleState> InstCycleState;
604
605   // Expression to class mapping.
606   using ExpressionClassMap = DenseMap<const Expression *, CongruenceClass *>;
607   ExpressionClassMap ExpressionToClass;
608
609   // We have a single expression that represents currently DeadExpressions.
610   // For dead expressions we can prove will stay dead, we mark them with
611   // DFS number zero.  However, it's possible in the case of phi nodes
612   // for us to assume/prove all arguments are dead during fixpointing.
613   // We use DeadExpression for that case.
614   DeadExpression *SingletonDeadExpression = nullptr;
615
616   // Which values have changed as a result of leader changes.
617   SmallPtrSet<Value *, 8> LeaderChanges;
618
619   // Reachability info.
620   using BlockEdge = BasicBlockEdge;
621   DenseSet<BlockEdge> ReachableEdges;
622   SmallPtrSet<const BasicBlock *, 8> ReachableBlocks;
623
624   // This is a bitvector because, on larger functions, we may have
625   // thousands of touched instructions at once (entire blocks,
626   // instructions with hundreds of uses, etc).  Even with optimization
627   // for when we mark whole blocks as touched, when this was a
628   // SmallPtrSet or DenseSet, for some functions, we spent >20% of all
629   // the time in GVN just managing this list.  The bitvector, on the
630   // other hand, efficiently supports test/set/clear of both
631   // individual and ranges, as well as "find next element" This
632   // enables us to use it as a worklist with essentially 0 cost.
633   BitVector TouchedInstructions;
634
635   DenseMap<const BasicBlock *, std::pair<unsigned, unsigned>> BlockInstRange;
636
637 #ifndef NDEBUG
638   // Debugging for how many times each block and instruction got processed.
639   DenseMap<const Value *, unsigned> ProcessedCount;
640 #endif
641
642   // DFS info.
643   // This contains a mapping from Instructions to DFS numbers.
644   // The numbering starts at 1. An instruction with DFS number zero
645   // means that the instruction is dead.
646   DenseMap<const Value *, unsigned> InstrDFS;
647
648   // This contains the mapping DFS numbers to instructions.
649   SmallVector<Value *, 32> DFSToInstr;
650
651   // Deletion info.
652   SmallPtrSet<Instruction *, 8> InstructionsToErase;
653
654 public:
655   NewGVN(Function &F, DominatorTree *DT, AssumptionCache *AC,
656          TargetLibraryInfo *TLI, AliasAnalysis *AA, MemorySSA *MSSA,
657          const DataLayout &DL)
658       : F(F), DT(DT), TLI(TLI), AA(AA), MSSA(MSSA), DL(DL),
659         PredInfo(make_unique<PredicateInfo>(F, *DT, *AC)), SQ(DL, TLI, DT, AC) {
660   }
661
662   bool runGVN();
663
664 private:
665   // Expression handling.
666   const Expression *createExpression(Instruction *) const;
667   const Expression *createBinaryExpression(unsigned, Type *, Value *, Value *,
668                                            Instruction *) const;
669
670   // Our canonical form for phi arguments is a pair of incoming value, incoming
671   // basic block.
672   using ValPair = std::pair<Value *, BasicBlock *>;
673
674   PHIExpression *createPHIExpression(ArrayRef<ValPair>, const Instruction *,
675                                      BasicBlock *, bool &HasBackEdge,
676                                      bool &OriginalOpsConstant) const;
677   const DeadExpression *createDeadExpression() const;
678   const VariableExpression *createVariableExpression(Value *) const;
679   const ConstantExpression *createConstantExpression(Constant *) const;
680   const Expression *createVariableOrConstant(Value *V) const;
681   const UnknownExpression *createUnknownExpression(Instruction *) const;
682   const StoreExpression *createStoreExpression(StoreInst *,
683                                                const MemoryAccess *) const;
684   LoadExpression *createLoadExpression(Type *, Value *, LoadInst *,
685                                        const MemoryAccess *) const;
686   const CallExpression *createCallExpression(CallInst *,
687                                              const MemoryAccess *) const;
688   const AggregateValueExpression *
689   createAggregateValueExpression(Instruction *) const;
690   bool setBasicExpressionInfo(Instruction *, BasicExpression *) const;
691
692   // Congruence class handling.
693   CongruenceClass *createCongruenceClass(Value *Leader, const Expression *E) {
694     auto *result = new CongruenceClass(NextCongruenceNum++, Leader, E);
695     CongruenceClasses.emplace_back(result);
696     return result;
697   }
698
699   CongruenceClass *createMemoryClass(MemoryAccess *MA) {
700     auto *CC = createCongruenceClass(nullptr, nullptr);
701     CC->setMemoryLeader(MA);
702     return CC;
703   }
704
705   CongruenceClass *ensureLeaderOfMemoryClass(MemoryAccess *MA) {
706     auto *CC = getMemoryClass(MA);
707     if (CC->getMemoryLeader() != MA)
708       CC = createMemoryClass(MA);
709     return CC;
710   }
711
712   CongruenceClass *createSingletonCongruenceClass(Value *Member) {
713     CongruenceClass *CClass = createCongruenceClass(Member, nullptr);
714     CClass->insert(Member);
715     ValueToClass[Member] = CClass;
716     return CClass;
717   }
718
719   void initializeCongruenceClasses(Function &F);
720   const Expression *makePossiblePHIOfOps(Instruction *,
721                                          SmallPtrSetImpl<Value *> &);
722   Value *findLeaderForInst(Instruction *ValueOp,
723                            SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited,
724                            MemoryAccess *MemAccess, Instruction *OrigInst,
725                            BasicBlock *PredBB);
726   bool OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
727                                  SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited,
728                                  SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist);
729   bool OpIsSafeForPHIOfOps(Value *Op, const BasicBlock *PHIBlock,
730                            SmallPtrSetImpl<const Value *> &);
731   void addPhiOfOps(PHINode *Op, BasicBlock *BB, Instruction *ExistingValue);
732   void removePhiOfOps(Instruction *I, PHINode *PHITemp);
733
734   // Value number an Instruction or MemoryPhi.
735   void valueNumberMemoryPhi(MemoryPhi *);
736   void valueNumberInstruction(Instruction *);
737
738   // Symbolic evaluation.
739   const Expression *checkSimplificationResults(Expression *, Instruction *,
740                                                Value *) const;
741   const Expression *performSymbolicEvaluation(Value *,
742                                               SmallPtrSetImpl<Value *> &) const;
743   const Expression *performSymbolicLoadCoercion(Type *, Value *, LoadInst *,
744                                                 Instruction *,
745                                                 MemoryAccess *) const;
746   const Expression *performSymbolicLoadEvaluation(Instruction *) const;
747   const Expression *performSymbolicStoreEvaluation(Instruction *) const;
748   const Expression *performSymbolicCallEvaluation(Instruction *) const;
749   void sortPHIOps(MutableArrayRef<ValPair> Ops) const;
750   const Expression *performSymbolicPHIEvaluation(ArrayRef<ValPair>,
751                                                  Instruction *I,
752                                                  BasicBlock *PHIBlock) const;
753   const Expression *performSymbolicAggrValueEvaluation(Instruction *) const;
754   const Expression *performSymbolicCmpEvaluation(Instruction *) const;
755   const Expression *performSymbolicPredicateInfoEvaluation(Instruction *) const;
756
757   // Congruence finding.
758   bool someEquivalentDominates(const Instruction *, const Instruction *) const;
759   Value *lookupOperandLeader(Value *) const;
760   CongruenceClass *getClassForExpression(const Expression *E) const;
761   void performCongruenceFinding(Instruction *, const Expression *);
762   void moveValueToNewCongruenceClass(Instruction *, const Expression *,
763                                      CongruenceClass *, CongruenceClass *);
764   void moveMemoryToNewCongruenceClass(Instruction *, MemoryAccess *,
765                                       CongruenceClass *, CongruenceClass *);
766   Value *getNextValueLeader(CongruenceClass *) const;
767   const MemoryAccess *getNextMemoryLeader(CongruenceClass *) const;
768   bool setMemoryClass(const MemoryAccess *From, CongruenceClass *To);
769   CongruenceClass *getMemoryClass(const MemoryAccess *MA) const;
770   const MemoryAccess *lookupMemoryLeader(const MemoryAccess *) const;
771   bool isMemoryAccessTOP(const MemoryAccess *) const;
772
773   // Ranking
774   unsigned int getRank(const Value *) const;
775   bool shouldSwapOperands(const Value *, const Value *) const;
776
777   // Reachability handling.
778   void updateReachableEdge(BasicBlock *, BasicBlock *);
779   void processOutgoingEdges(TerminatorInst *, BasicBlock *);
780   Value *findConditionEquivalence(Value *) const;
781
782   // Elimination.
783   struct ValueDFS;
784   void convertClassToDFSOrdered(const CongruenceClass &,
785                                 SmallVectorImpl<ValueDFS> &,
786                                 DenseMap<const Value *, unsigned int> &,
787                                 SmallPtrSetImpl<Instruction *> &) const;
788   void convertClassToLoadsAndStores(const CongruenceClass &,
789                                     SmallVectorImpl<ValueDFS> &) const;
790
791   bool eliminateInstructions(Function &);
792   void replaceInstruction(Instruction *, Value *);
793   void markInstructionForDeletion(Instruction *);
794   void deleteInstructionsInBlock(BasicBlock *);
795   Value *findPHIOfOpsLeader(const Expression *, const Instruction *,
796                             const BasicBlock *) const;
797
798   // New instruction creation.
799   void handleNewInstruction(Instruction *) {}
800
801   // Various instruction touch utilities
802   template <typename Map, typename KeyType, typename Func>
803   void for_each_found(Map &, const KeyType &, Func);
804   template <typename Map, typename KeyType>
805   void touchAndErase(Map &, const KeyType &);
806   void markUsersTouched(Value *);
807   void markMemoryUsersTouched(const MemoryAccess *);
808   void markMemoryDefTouched(const MemoryAccess *);
809   void markPredicateUsersTouched(Instruction *);
810   void markValueLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC);
811   void markMemoryLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC);
812   void markPhiOfOpsChanged(const Expression *E);
813   void addPredicateUsers(const PredicateBase *, Instruction *) const;
814   void addMemoryUsers(const MemoryAccess *To, MemoryAccess *U) const;
815   void addAdditionalUsers(Value *To, Value *User) const;
816
817   // Main loop of value numbering
818   void iterateTouchedInstructions();
819
820   // Utilities.
821   void cleanupTables();
822   std::pair<unsigned, unsigned> assignDFSNumbers(BasicBlock *, unsigned);
823   void updateProcessedCount(const Value *V);
824   void verifyMemoryCongruency() const;
825   void verifyIterationSettled(Function &F);
826   void verifyStoreExpressions() const;
827   bool singleReachablePHIPath(SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> &,
828                               const MemoryAccess *, const MemoryAccess *) const;
829   BasicBlock *getBlockForValue(Value *V) const;
830   void deleteExpression(const Expression *E) const;
831   MemoryUseOrDef *getMemoryAccess(const Instruction *) const;
832   MemoryAccess *getDefiningAccess(const MemoryAccess *) const;
833   MemoryPhi *getMemoryAccess(const BasicBlock *) const;
834   template <class T, class Range> T *getMinDFSOfRange(const Range &) const;
835
836   unsigned InstrToDFSNum(const Value *V) const {
837     assert(isa<Instruction>(V) && "This should not be used for MemoryAccesses");
838     return InstrDFS.lookup(V);
839   }
840
841   unsigned InstrToDFSNum(const MemoryAccess *MA) const {
842     return MemoryToDFSNum(MA);
843   }
844
845   Value *InstrFromDFSNum(unsigned DFSNum) { return DFSToInstr[DFSNum]; }
846
847   // Given a MemoryAccess, return the relevant instruction DFS number.  Note:
848   // This deliberately takes a value so it can be used with Use's, which will
849   // auto-convert to Value's but not to MemoryAccess's.
850   unsigned MemoryToDFSNum(const Value *MA) const {
851     assert(isa<MemoryAccess>(MA) &&
852            "This should not be used with instructions");
853     return isa<MemoryUseOrDef>(MA)
854                ? InstrToDFSNum(cast<MemoryUseOrDef>(MA)->getMemoryInst())
855                : InstrDFS.lookup(MA);
856   }
857
858   bool isCycleFree(const Instruction *) const;
859   bool isBackedge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) const;
860
861   // Debug counter info.  When verifying, we have to reset the value numbering
862   // debug counter to the same state it started in to get the same results.
863   std::pair<int, int> StartingVNCounter;
864 };
865
866 } // end anonymous namespace
867
868 template <typename T>
869 static bool equalsLoadStoreHelper(const T &LHS, const Expression &RHS) {
870   if (!isa<LoadExpression>(RHS) && !isa<StoreExpression>(RHS))
871     return false;
872   return LHS.MemoryExpression::equals(RHS);
873 }
874
875 bool LoadExpression::equals(const Expression &Other) const {
876   return equalsLoadStoreHelper(*this, Other);
877 }
878
879 bool StoreExpression::equals(const Expression &Other) const {
880   if (!equalsLoadStoreHelper(*this, Other))
881     return false;
882   // Make sure that store vs store includes the value operand.
883   if (const auto *S = dyn_cast<StoreExpression>(&Other))
884     if (getStoredValue() != S->getStoredValue())
885       return false;
886   return true;
887 }
888
889 // Determine if the edge From->To is a backedge
890 bool NewGVN::isBackedge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) const {
891   return From == To ||
892          RPOOrdering.lookup(DT->getNode(From)) >=
893              RPOOrdering.lookup(DT->getNode(To));
894 }
895
896 #ifndef NDEBUG
897 static std::string getBlockName(const BasicBlock *B) {
898   return DOTGraphTraits<const Function *>::getSimpleNodeLabel(B, nullptr);
899 }
900 #endif
901
902 // Get a MemoryAccess for an instruction, fake or real.
903 MemoryUseOrDef *NewGVN::getMemoryAccess(const Instruction *I) const {
904   auto *Result = MSSA->getMemoryAccess(I);
905   return Result ? Result : TempToMemory.lookup(I);
906 }
907
908 // Get a MemoryPhi for a basic block. These are all real.
909 MemoryPhi *NewGVN::getMemoryAccess(const BasicBlock *BB) const {
910   return MSSA->getMemoryAccess(BB);
911 }
912
913 // Get the basic block from an instruction/memory value.
914 BasicBlock *NewGVN::getBlockForValue(Value *V) const {
915   if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
916     auto *Parent = I->getParent();
917     if (Parent)
918       return Parent;
919     Parent = TempToBlock.lookup(V);
920     assert(Parent && "Every fake instruction should have a block");
921     return Parent;
922   }
923
924   auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(V);
925   assert(MP && "Should have been an instruction or a MemoryPhi");
926   return MP->getBlock();
927 }
928
929 // Delete a definitely dead expression, so it can be reused by the expression
930 // allocator.  Some of these are not in creation functions, so we have to accept
931 // const versions.
932 void NewGVN::deleteExpression(const Expression *E) const {
933   assert(isa<BasicExpression>(E));
934   auto *BE = cast<BasicExpression>(E);
935   const_cast<BasicExpression *>(BE)->deallocateOperands(ArgRecycler);
936   ExpressionAllocator.Deallocate(E);
937 }
938
939 // If V is a predicateinfo copy, get the thing it is a copy of.
940 static Value *getCopyOf(const Value *V) {
941   if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(V))
942     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy)
943       return II->getOperand(0);
944   return nullptr;
945 }
946
947 // Return true if V is really PN, even accounting for predicateinfo copies.
948 static bool isCopyOfPHI(const Value *V, const PHINode *PN) {
949   return V == PN || getCopyOf(V) == PN;
950 }
951
952 static bool isCopyOfAPHI(const Value *V) {
953   auto *CO = getCopyOf(V);
954   return CO && isa<PHINode>(CO);
955 }
956
957 // Sort PHI Operands into a canonical order.  What we use here is an RPO
958 // order. The BlockInstRange numbers are generated in an RPO walk of the basic
959 // blocks.
960 void NewGVN::sortPHIOps(MutableArrayRef<ValPair> Ops) const {
961   std::sort(Ops.begin(), Ops.end(), [&](const ValPair &P1, const ValPair &P2) {
962     return BlockInstRange.lookup(P1.second).first <
963            BlockInstRange.lookup(P2.second).first;
964   });
965 }
966
967 // Return true if V is a value that will always be available (IE can
968 // be placed anywhere) in the function.  We don't do globals here
969 // because they are often worse to put in place.
970 static bool alwaysAvailable(Value *V) {
971   return isa<Constant>(V) || isa<Argument>(V);
972 }
973
974 // Create a PHIExpression from an array of {incoming edge, value} pairs.  I is
975 // the original instruction we are creating a PHIExpression for (but may not be
976 // a phi node). We require, as an invariant, that all the PHIOperands in the
977 // same block are sorted the same way. sortPHIOps will sort them into a
978 // canonical order.
979 PHIExpression *NewGVN::createPHIExpression(ArrayRef<ValPair> PHIOperands,
980                                            const Instruction *I,
981                                            BasicBlock *PHIBlock,
982                                            bool &HasBackedge,
983                                            bool &OriginalOpsConstant) const {
984   unsigned NumOps = PHIOperands.size();
985   auto *E = new (ExpressionAllocator) PHIExpression(NumOps, PHIBlock);
986
987   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
988   E->setType(PHIOperands.begin()->first->getType());
989   E->setOpcode(Instruction::PHI);
990
991   // Filter out unreachable phi operands.
992   auto Filtered = make_filter_range(PHIOperands, [&](const ValPair &P) {
993     auto *BB = P.second;
994     if (auto *PHIOp = dyn_cast<PHINode>(I))
995       if (isCopyOfPHI(P.first, PHIOp))
996         return false;
997     if (!ReachableEdges.count({BB, PHIBlock}))
998       return false;
999     // Things in TOPClass are equivalent to everything.
1000     if (ValueToClass.lookup(P.first) == TOPClass)
1001       return false;
1002     OriginalOpsConstant = OriginalOpsConstant && isa<Constant>(P.first);
1003     HasBackedge = HasBackedge || isBackedge(BB, PHIBlock);
1004     return lookupOperandLeader(P.first) != I;
1005   });
1006   std::transform(Filtered.begin(), Filtered.end(), op_inserter(E),
1007                  [&](const ValPair &P) -> Value * {
1008                    return lookupOperandLeader(P.first);
1009                  });
1010   return E;
1011 }
1012
1013 // Set basic expression info (Arguments, type, opcode) for Expression
1014 // E from Instruction I in block B.
1015 bool NewGVN::setBasicExpressionInfo(Instruction *I, BasicExpression *E) const {
1016   bool AllConstant = true;
1017   if (auto *GEP = dyn_cast<GetElementPtrInst>(I))
1018     E->setType(GEP->getSourceElementType());
1019   else
1020     E->setType(I->getType());
1021   E->setOpcode(I->getOpcode());
1022   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1023
1024   // Transform the operand array into an operand leader array, and keep track of
1025   // whether all members are constant.
1026   std::transform(I->op_begin(), I->op_end(), op_inserter(E), [&](Value *O) {
1027     auto Operand = lookupOperandLeader(O);
1028     AllConstant = AllConstant && isa<Constant>(Operand);
1029     return Operand;
1030   });
1031
1032   return AllConstant;
1033 }
1034
1035 const Expression *NewGVN::createBinaryExpression(unsigned Opcode, Type *T,
1036                                                  Value *Arg1, Value *Arg2,
1037                                                  Instruction *I) const {
1038   auto *E = new (ExpressionAllocator) BasicExpression(2);
1039
1040   E->setType(T);
1041   E->setOpcode(Opcode);
1042   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1043   if (Instruction::isCommutative(Opcode)) {
1044     // Ensure that commutative instructions that only differ by a permutation
1045     // of their operands get the same value number by sorting the operand value
1046     // numbers.  Since all commutative instructions have two operands it is more
1047     // efficient to sort by hand rather than using, say, std::sort.
1048     if (shouldSwapOperands(Arg1, Arg2))
1049       std::swap(Arg1, Arg2);
1050   }
1051   E->op_push_back(lookupOperandLeader(Arg1));
1052   E->op_push_back(lookupOperandLeader(Arg2));
1053
1054   Value *V = SimplifyBinOp(Opcode, E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1055   if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1056     return SimplifiedE;
1057   return E;
1058 }
1059
1060 // Take a Value returned by simplification of Expression E/Instruction
1061 // I, and see if it resulted in a simpler expression. If so, return
1062 // that expression.
1063 const Expression *NewGVN::checkSimplificationResults(Expression *E,
1064                                                      Instruction *I,
1065                                                      Value *V) const {
1066   if (!V)
1067     return nullptr;
1068   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V)) {
1069     if (I)
1070       DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1071                    << " constant " << *C << "\n");
1072     NumGVNOpsSimplified++;
1073     assert(isa<BasicExpression>(E) &&
1074            "We should always have had a basic expression here");
1075     deleteExpression(E);
1076     return createConstantExpression(C);
1077   } else if (isa<Argument>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) {
1078     if (I)
1079       DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1080                    << " variable " << *V << "\n");
1081     deleteExpression(E);
1082     return createVariableExpression(V);
1083   }
1084
1085   CongruenceClass *CC = ValueToClass.lookup(V);
1086   if (CC) {
1087     if (CC->getLeader() && CC->getLeader() != I) {
1088       // Don't add temporary instructions to the user lists.
1089       if (!AllTempInstructions.count(I))
1090         addAdditionalUsers(V, I);
1091       return createVariableOrConstant(CC->getLeader());
1092     }
1093     if (CC->getDefiningExpr()) {
1094       // If we simplified to something else, we need to communicate
1095       // that we're users of the value we simplified to.
1096       if (I != V) {
1097         // Don't add temporary instructions to the user lists.
1098         if (!AllTempInstructions.count(I))
1099           addAdditionalUsers(V, I);
1100       }
1101
1102       if (I)
1103         DEBUG(dbgs() << "Simplified " << *I << " to "
1104                      << " expression " << *CC->getDefiningExpr() << "\n");
1105       NumGVNOpsSimplified++;
1106       deleteExpression(E);
1107       return CC->getDefiningExpr();
1108     }
1109   }
1110
1111   return nullptr;
1112 }
1113
1114 // Create a value expression from the instruction I, replacing operands with
1115 // their leaders.
1116
1117 const Expression *NewGVN::createExpression(Instruction *I) const {
1118   auto *E = new (ExpressionAllocator) BasicExpression(I->getNumOperands());
1119
1120   bool AllConstant = setBasicExpressionInfo(I, E);
1121
1122   if (I->isCommutative()) {
1123     // Ensure that commutative instructions that only differ by a permutation
1124     // of their operands get the same value number by sorting the operand value
1125     // numbers.  Since all commutative instructions have two operands it is more
1126     // efficient to sort by hand rather than using, say, std::sort.
1127     assert(I->getNumOperands() == 2 && "Unsupported commutative instruction!");
1128     if (shouldSwapOperands(E->getOperand(0), E->getOperand(1)))
1129       E->swapOperands(0, 1);
1130   }
1131   // Perform simplification.
1132   if (auto *CI = dyn_cast<CmpInst>(I)) {
1133     // Sort the operand value numbers so x<y and y>x get the same value
1134     // number.
1135     CmpInst::Predicate Predicate = CI->getPredicate();
1136     if (shouldSwapOperands(E->getOperand(0), E->getOperand(1))) {
1137       E->swapOperands(0, 1);
1138       Predicate = CmpInst::getSwappedPredicate(Predicate);
1139     }
1140     E->setOpcode((CI->getOpcode() << 8) | Predicate);
1141     // TODO: 25% of our time is spent in SimplifyCmpInst with pointer operands
1142     assert(I->getOperand(0)->getType() == I->getOperand(1)->getType() &&
1143            "Wrong types on cmp instruction");
1144     assert((E->getOperand(0)->getType() == I->getOperand(0)->getType() &&
1145             E->getOperand(1)->getType() == I->getOperand(1)->getType()));
1146     Value *V =
1147         SimplifyCmpInst(Predicate, E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1148     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1149       return SimplifiedE;
1150   } else if (isa<SelectInst>(I)) {
1151     if (isa<Constant>(E->getOperand(0)) ||
1152         E->getOperand(1) == E->getOperand(2)) {
1153       assert(E->getOperand(1)->getType() == I->getOperand(1)->getType() &&
1154              E->getOperand(2)->getType() == I->getOperand(2)->getType());
1155       Value *V = SimplifySelectInst(E->getOperand(0), E->getOperand(1),
1156                                     E->getOperand(2), SQ);
1157       if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1158         return SimplifiedE;
1159     }
1160   } else if (I->isBinaryOp()) {
1161     Value *V =
1162         SimplifyBinOp(E->getOpcode(), E->getOperand(0), E->getOperand(1), SQ);
1163     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1164       return SimplifiedE;
1165   } else if (auto *BI = dyn_cast<BitCastInst>(I)) {
1166     Value *V =
1167         SimplifyCastInst(BI->getOpcode(), BI->getOperand(0), BI->getType(), SQ);
1168     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1169       return SimplifiedE;
1170   } else if (isa<GetElementPtrInst>(I)) {
1171     Value *V = SimplifyGEPInst(
1172         E->getType(), ArrayRef<Value *>(E->op_begin(), E->op_end()), SQ);
1173     if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1174       return SimplifiedE;
1175   } else if (AllConstant) {
1176     // We don't bother trying to simplify unless all of the operands
1177     // were constant.
1178     // TODO: There are a lot of Simplify*'s we could call here, if we
1179     // wanted to.  The original motivating case for this code was a
1180     // zext i1 false to i8, which we don't have an interface to
1181     // simplify (IE there is no SimplifyZExt).
1182
1183     SmallVector<Constant *, 8> C;
1184     for (Value *Arg : E->operands())
1185       C.emplace_back(cast<Constant>(Arg));
1186
1187     if (Value *V = ConstantFoldInstOperands(I, C, DL, TLI))
1188       if (const Expression *SimplifiedE = checkSimplificationResults(E, I, V))
1189         return SimplifiedE;
1190   }
1191   return E;
1192 }
1193
1194 const AggregateValueExpression *
1195 NewGVN::createAggregateValueExpression(Instruction *I) const {
1196   if (auto *II = dyn_cast<InsertValueInst>(I)) {
1197     auto *E = new (ExpressionAllocator)
1198         AggregateValueExpression(I->getNumOperands(), II->getNumIndices());
1199     setBasicExpressionInfo(I, E);
1200     E->allocateIntOperands(ExpressionAllocator);
1201     std::copy(II->idx_begin(), II->idx_end(), int_op_inserter(E));
1202     return E;
1203   } else if (auto *EI = dyn_cast<ExtractValueInst>(I)) {
1204     auto *E = new (ExpressionAllocator)
1205         AggregateValueExpression(I->getNumOperands(), EI->getNumIndices());
1206     setBasicExpressionInfo(EI, E);
1207     E->allocateIntOperands(ExpressionAllocator);
1208     std::copy(EI->idx_begin(), EI->idx_end(), int_op_inserter(E));
1209     return E;
1210   }
1211   llvm_unreachable("Unhandled type of aggregate value operation");
1212 }
1213
1214 const DeadExpression *NewGVN::createDeadExpression() const {
1215   // DeadExpression has no arguments and all DeadExpression's are the same,
1216   // so we only need one of them.
1217   return SingletonDeadExpression;
1218 }
1219
1220 const VariableExpression *NewGVN::createVariableExpression(Value *V) const {
1221   auto *E = new (ExpressionAllocator) VariableExpression(V);
1222   E->setOpcode(V->getValueID());
1223   return E;
1224 }
1225
1226 const Expression *NewGVN::createVariableOrConstant(Value *V) const {
1227   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V))
1228     return createConstantExpression(C);
1229   return createVariableExpression(V);
1230 }
1231
1232 const ConstantExpression *NewGVN::createConstantExpression(Constant *C) const {
1233   auto *E = new (ExpressionAllocator) ConstantExpression(C);
1234   E->setOpcode(C->getValueID());
1235   return E;
1236 }
1237
1238 const UnknownExpression *NewGVN::createUnknownExpression(Instruction *I) const {
1239   auto *E = new (ExpressionAllocator) UnknownExpression(I);
1240   E->setOpcode(I->getOpcode());
1241   return E;
1242 }
1243
1244 const CallExpression *
1245 NewGVN::createCallExpression(CallInst *CI, const MemoryAccess *MA) const {
1246   // FIXME: Add operand bundles for calls.
1247   auto *E =
1248       new (ExpressionAllocator) CallExpression(CI->getNumOperands(), CI, MA);
1249   setBasicExpressionInfo(CI, E);
1250   return E;
1251 }
1252
1253 // Return true if some equivalent of instruction Inst dominates instruction U.
1254 bool NewGVN::someEquivalentDominates(const Instruction *Inst,
1255                                      const Instruction *U) const {
1256   auto *CC = ValueToClass.lookup(Inst);
1257    // This must be an instruction because we are only called from phi nodes
1258   // in the case that the value it needs to check against is an instruction.
1259
1260   // The most likely candiates for dominance are the leader and the next leader.
1261   // The leader or nextleader will dominate in all cases where there is an
1262   // equivalent that is higher up in the dom tree.
1263   // We can't *only* check them, however, because the
1264   // dominator tree could have an infinite number of non-dominating siblings
1265   // with instructions that are in the right congruence class.
1266   //       A
1267   // B C D E F G
1268   // |
1269   // H
1270   // Instruction U could be in H,  with equivalents in every other sibling.
1271   // Depending on the rpo order picked, the leader could be the equivalent in
1272   // any of these siblings.
1273   if (!CC)
1274     return false;
1275   if (alwaysAvailable(CC->getLeader()))
1276     return true;
1277   if (DT->dominates(cast<Instruction>(CC->getLeader()), U))
1278     return true;
1279   if (CC->getNextLeader().first &&
1280       DT->dominates(cast<Instruction>(CC->getNextLeader().first), U))
1281     return true;
1282   return llvm::any_of(*CC, [&](const Value *Member) {
1283     return Member != CC->getLeader() &&
1284            DT->dominates(cast<Instruction>(Member), U);
1285   });
1286 }
1287
1288 // See if we have a congruence class and leader for this operand, and if so,
1289 // return it. Otherwise, return the operand itself.
1290 Value *NewGVN::lookupOperandLeader(Value *V) const {
1291   CongruenceClass *CC = ValueToClass.lookup(V);
1292   if (CC) {
1293     // Everything in TOP is represented by undef, as it can be any value.
1294     // We do have to make sure we get the type right though, so we can't set the
1295     // RepLeader to undef.
1296     if (CC == TOPClass)
1297       return UndefValue::get(V->getType());
1298     return CC->getStoredValue() ? CC->getStoredValue() : CC->getLeader();
1299   }
1300
1301   return V;
1302 }
1303
1304 const MemoryAccess *NewGVN::lookupMemoryLeader(const MemoryAccess *MA) const {
1305   auto *CC = getMemoryClass(MA);
1306   assert(CC->getMemoryLeader() &&
1307          "Every MemoryAccess should be mapped to a congruence class with a "
1308          "representative memory access");
1309   return CC->getMemoryLeader();
1310 }
1311
1312 // Return true if the MemoryAccess is really equivalent to everything. This is
1313 // equivalent to the lattice value "TOP" in most lattices.  This is the initial
1314 // state of all MemoryAccesses.
1315 bool NewGVN::isMemoryAccessTOP(const MemoryAccess *MA) const {
1316   return getMemoryClass(MA) == TOPClass;
1317 }
1318
1319 LoadExpression *NewGVN::createLoadExpression(Type *LoadType, Value *PointerOp,
1320                                              LoadInst *LI,
1321                                              const MemoryAccess *MA) const {
1322   auto *E =
1323       new (ExpressionAllocator) LoadExpression(1, LI, lookupMemoryLeader(MA));
1324   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1325   E->setType(LoadType);
1326
1327   // Give store and loads same opcode so they value number together.
1328   E->setOpcode(0);
1329   E->op_push_back(PointerOp);
1330   if (LI)
1331     E->setAlignment(LI->getAlignment());
1332
1333   // TODO: Value number heap versions. We may be able to discover
1334   // things alias analysis can't on it's own (IE that a store and a
1335   // load have the same value, and thus, it isn't clobbering the load).
1336   return E;
1337 }
1338
1339 const StoreExpression *
1340 NewGVN::createStoreExpression(StoreInst *SI, const MemoryAccess *MA) const {
1341   auto *StoredValueLeader = lookupOperandLeader(SI->getValueOperand());
1342   auto *E = new (ExpressionAllocator)
1343       StoreExpression(SI->getNumOperands(), SI, StoredValueLeader, MA);
1344   E->allocateOperands(ArgRecycler, ExpressionAllocator);
1345   E->setType(SI->getValueOperand()->getType());
1346
1347   // Give store and loads same opcode so they value number together.
1348   E->setOpcode(0);
1349   E->op_push_back(lookupOperandLeader(SI->getPointerOperand()));
1350
1351   // TODO: Value number heap versions. We may be able to discover
1352   // things alias analysis can't on it's own (IE that a store and a
1353   // load have the same value, and thus, it isn't clobbering the load).
1354   return E;
1355 }
1356
1357 const Expression *NewGVN::performSymbolicStoreEvaluation(Instruction *I) const {
1358   // Unlike loads, we never try to eliminate stores, so we do not check if they
1359   // are simple and avoid value numbering them.
1360   auto *SI = cast<StoreInst>(I);
1361   auto *StoreAccess = getMemoryAccess(SI);
1362   // Get the expression, if any, for the RHS of the MemoryDef.
1363   const MemoryAccess *StoreRHS = StoreAccess->getDefiningAccess();
1364   if (EnableStoreRefinement)
1365     StoreRHS = MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(StoreAccess);
1366   // If we bypassed the use-def chains, make sure we add a use.
1367   StoreRHS = lookupMemoryLeader(StoreRHS);
1368   if (StoreRHS != StoreAccess->getDefiningAccess())
1369     addMemoryUsers(StoreRHS, StoreAccess);
1370   // If we are defined by ourselves, use the live on entry def.
1371   if (StoreRHS == StoreAccess)
1372     StoreRHS = MSSA->getLiveOnEntryDef();
1373
1374   if (SI->isSimple()) {
1375     // See if we are defined by a previous store expression, it already has a
1376     // value, and it's the same value as our current store. FIXME: Right now, we
1377     // only do this for simple stores, we should expand to cover memcpys, etc.
1378     const auto *LastStore = createStoreExpression(SI, StoreRHS);
1379     const auto *LastCC = ExpressionToClass.lookup(LastStore);
1380     // We really want to check whether the expression we matched was a store. No
1381     // easy way to do that. However, we can check that the class we found has a
1382     // store, which, assuming the value numbering state is not corrupt, is
1383     // sufficient, because we must also be equivalent to that store's expression
1384     // for it to be in the same class as the load.
1385     if (LastCC && LastCC->getStoredValue() == LastStore->getStoredValue())
1386       return LastStore;
1387     // Also check if our value operand is defined by a load of the same memory
1388     // location, and the memory state is the same as it was then (otherwise, it
1389     // could have been overwritten later. See test32 in
1390     // transforms/DeadStoreElimination/simple.ll).
1391     if (auto *LI = dyn_cast<LoadInst>(LastStore->getStoredValue()))
1392       if ((lookupOperandLeader(LI->getPointerOperand()) ==
1393            LastStore->getOperand(0)) &&
1394           (lookupMemoryLeader(getMemoryAccess(LI)->getDefiningAccess()) ==
1395            StoreRHS))
1396         return LastStore;
1397     deleteExpression(LastStore);
1398   }
1399
1400   // If the store is not equivalent to anything, value number it as a store that
1401   // produces a unique memory state (instead of using it's MemoryUse, we use
1402   // it's MemoryDef).
1403   return createStoreExpression(SI, StoreAccess);
1404 }
1405
1406 // See if we can extract the value of a loaded pointer from a load, a store, or
1407 // a memory instruction.
1408 const Expression *
1409 NewGVN::performSymbolicLoadCoercion(Type *LoadType, Value *LoadPtr,
1410                                     LoadInst *LI, Instruction *DepInst,
1411                                     MemoryAccess *DefiningAccess) const {
1412   assert((!LI || LI->isSimple()) && "Not a simple load");
1413   if (auto *DepSI = dyn_cast<StoreInst>(DepInst)) {
1414     // Can't forward from non-atomic to atomic without violating memory model.
1415     // Also don't need to coerce if they are the same type, we will just
1416     // propagate.
1417     if (LI->isAtomic() > DepSI->isAtomic() ||
1418         LoadType == DepSI->getValueOperand()->getType())
1419       return nullptr;
1420     int Offset = analyzeLoadFromClobberingStore(LoadType, LoadPtr, DepSI, DL);
1421     if (Offset >= 0) {
1422       if (auto *C = dyn_cast<Constant>(
1423               lookupOperandLeader(DepSI->getValueOperand()))) {
1424         DEBUG(dbgs() << "Coercing load from store " << *DepSI << " to constant "
1425                      << *C << "\n");
1426         return createConstantExpression(
1427             getConstantStoreValueForLoad(C, Offset, LoadType, DL));
1428       }
1429     }
1430   } else if (auto *DepLI = dyn_cast<LoadInst>(DepInst)) {
1431     // Can't forward from non-atomic to atomic without violating memory model.
1432     if (LI->isAtomic() > DepLI->isAtomic())
1433       return nullptr;
1434     int Offset = analyzeLoadFromClobberingLoad(LoadType, LoadPtr, DepLI, DL);
1435     if (Offset >= 0) {
1436       // We can coerce a constant load into a load.
1437       if (auto *C = dyn_cast<Constant>(lookupOperandLeader(DepLI)))
1438         if (auto *PossibleConstant =
1439                 getConstantLoadValueForLoad(C, Offset, LoadType, DL)) {
1440           DEBUG(dbgs() << "Coercing load from load " << *LI << " to constant "
1441                        << *PossibleConstant << "\n");
1442           return createConstantExpression(PossibleConstant);
1443         }
1444     }
1445   } else if (auto *DepMI = dyn_cast<MemIntrinsic>(DepInst)) {
1446     int Offset = analyzeLoadFromClobberingMemInst(LoadType, LoadPtr, DepMI, DL);
1447     if (Offset >= 0) {
1448       if (auto *PossibleConstant =
1449               getConstantMemInstValueForLoad(DepMI, Offset, LoadType, DL)) {
1450         DEBUG(dbgs() << "Coercing load from meminst " << *DepMI
1451                      << " to constant " << *PossibleConstant << "\n");
1452         return createConstantExpression(PossibleConstant);
1453       }
1454     }
1455   }
1456
1457   // All of the below are only true if the loaded pointer is produced
1458   // by the dependent instruction.
1459   if (LoadPtr != lookupOperandLeader(DepInst) &&
1460       !AA->isMustAlias(LoadPtr, DepInst))
1461     return nullptr;
1462   // If this load really doesn't depend on anything, then we must be loading an
1463   // undef value.  This can happen when loading for a fresh allocation with no
1464   // intervening stores, for example.  Note that this is only true in the case
1465   // that the result of the allocation is pointer equal to the load ptr.
1466   if (isa<AllocaInst>(DepInst) || isMallocLikeFn(DepInst, TLI)) {
1467     return createConstantExpression(UndefValue::get(LoadType));
1468   }
1469   // If this load occurs either right after a lifetime begin,
1470   // then the loaded value is undefined.
1471   else if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(DepInst)) {
1472     if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::lifetime_start)
1473       return createConstantExpression(UndefValue::get(LoadType));
1474   }
1475   // If this load follows a calloc (which zero initializes memory),
1476   // then the loaded value is zero
1477   else if (isCallocLikeFn(DepInst, TLI)) {
1478     return createConstantExpression(Constant::getNullValue(LoadType));
1479   }
1480
1481   return nullptr;
1482 }
1483
1484 const Expression *NewGVN::performSymbolicLoadEvaluation(Instruction *I) const {
1485   auto *LI = cast<LoadInst>(I);
1486
1487   // We can eliminate in favor of non-simple loads, but we won't be able to
1488   // eliminate the loads themselves.
1489   if (!LI->isSimple())
1490     return nullptr;
1491
1492   Value *LoadAddressLeader = lookupOperandLeader(LI->getPointerOperand());
1493   // Load of undef is undef.
1494   if (isa<UndefValue>(LoadAddressLeader))
1495     return createConstantExpression(UndefValue::get(LI->getType()));
1496   MemoryAccess *OriginalAccess = getMemoryAccess(I);
1497   MemoryAccess *DefiningAccess =
1498       MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(OriginalAccess);
1499
1500   if (!MSSA->isLiveOnEntryDef(DefiningAccess)) {
1501     if (auto *MD = dyn_cast<MemoryDef>(DefiningAccess)) {
1502       Instruction *DefiningInst = MD->getMemoryInst();
1503       // If the defining instruction is not reachable, replace with undef.
1504       if (!ReachableBlocks.count(DefiningInst->getParent()))
1505         return createConstantExpression(UndefValue::get(LI->getType()));
1506       // This will handle stores and memory insts.  We only do if it the
1507       // defining access has a different type, or it is a pointer produced by
1508       // certain memory operations that cause the memory to have a fixed value
1509       // (IE things like calloc).
1510       if (const auto *CoercionResult =
1511               performSymbolicLoadCoercion(LI->getType(), LoadAddressLeader, LI,
1512                                           DefiningInst, DefiningAccess))
1513         return CoercionResult;
1514     }
1515   }
1516
1517   const auto *LE = createLoadExpression(LI->getType(), LoadAddressLeader, LI,
1518                                         DefiningAccess);
1519   // If our MemoryLeader is not our defining access, add a use to the
1520   // MemoryLeader, so that we get reprocessed when it changes.
1521   if (LE->getMemoryLeader() != DefiningAccess)
1522     addMemoryUsers(LE->getMemoryLeader(), OriginalAccess);
1523   return LE;
1524 }
1525
1526 const Expression *
1527 NewGVN::performSymbolicPredicateInfoEvaluation(Instruction *I) const {
1528   auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(I);
1529   if (!PI)
1530     return nullptr;
1531
1532   DEBUG(dbgs() << "Found predicate info from instruction !\n");
1533
1534   auto *PWC = dyn_cast<PredicateWithCondition>(PI);
1535   if (!PWC)
1536     return nullptr;
1537
1538   auto *CopyOf = I->getOperand(0);
1539   auto *Cond = PWC->Condition;
1540
1541   // If this a copy of the condition, it must be either true or false depending
1542   // on the predicate info type and edge.
1543   if (CopyOf == Cond) {
1544     // We should not need to add predicate users because the predicate info is
1545     // already a use of this operand.
1546     if (isa<PredicateAssume>(PI))
1547       return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(Cond->getType()));
1548     if (auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PI)) {
1549       if (PBranch->TrueEdge)
1550         return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(Cond->getType()));
1551       return createConstantExpression(ConstantInt::getFalse(Cond->getType()));
1552     }
1553     if (auto *PSwitch = dyn_cast<PredicateSwitch>(PI))
1554       return createConstantExpression(cast<Constant>(PSwitch->CaseValue));
1555   }
1556
1557   // Not a copy of the condition, so see what the predicates tell us about this
1558   // value.  First, though, we check to make sure the value is actually a copy
1559   // of one of the condition operands. It's possible, in certain cases, for it
1560   // to be a copy of a predicateinfo copy. In particular, if two branch
1561   // operations use the same condition, and one branch dominates the other, we
1562   // will end up with a copy of a copy.  This is currently a small deficiency in
1563   // predicateinfo.  What will end up happening here is that we will value
1564   // number both copies the same anyway.
1565
1566   // Everything below relies on the condition being a comparison.
1567   auto *Cmp = dyn_cast<CmpInst>(Cond);
1568   if (!Cmp)
1569     return nullptr;
1570
1571   if (CopyOf != Cmp->getOperand(0) && CopyOf != Cmp->getOperand(1)) {
1572     DEBUG(dbgs() << "Copy is not of any condition operands!\n");
1573     return nullptr;
1574   }
1575   Value *FirstOp = lookupOperandLeader(Cmp->getOperand(0));
1576   Value *SecondOp = lookupOperandLeader(Cmp->getOperand(1));
1577   bool SwappedOps = false;
1578   // Sort the ops.
1579   if (shouldSwapOperands(FirstOp, SecondOp)) {
1580     std::swap(FirstOp, SecondOp);
1581     SwappedOps = true;
1582   }
1583   CmpInst::Predicate Predicate =
1584       SwappedOps ? Cmp->getSwappedPredicate() : Cmp->getPredicate();
1585
1586   if (isa<PredicateAssume>(PI)) {
1587     // If the comparison is true when the operands are equal, then we know the
1588     // operands are equal, because assumes must always be true.
1589     if (CmpInst::isTrueWhenEqual(Predicate)) {
1590       addPredicateUsers(PI, I);
1591       addAdditionalUsers(Cmp->getOperand(0), I);
1592       return createVariableOrConstant(FirstOp);
1593     }
1594   }
1595   if (const auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PI)) {
1596     // If we are *not* a copy of the comparison, we may equal to the other
1597     // operand when the predicate implies something about equality of
1598     // operations.  In particular, if the comparison is true/false when the
1599     // operands are equal, and we are on the right edge, we know this operation
1600     // is equal to something.
1601     if ((PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::ICMP_EQ) ||
1602         (!PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::ICMP_NE)) {
1603       addPredicateUsers(PI, I);
1604       addAdditionalUsers(SwappedOps ? Cmp->getOperand(1) : Cmp->getOperand(0),
1605                          I);
1606       return createVariableOrConstant(FirstOp);
1607     }
1608     // Handle the special case of floating point.
1609     if (((PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::FCMP_OEQ) ||
1610          (!PBranch->TrueEdge && Predicate == CmpInst::FCMP_UNE)) &&
1611         isa<ConstantFP>(FirstOp) && !cast<ConstantFP>(FirstOp)->isZero()) {
1612       addPredicateUsers(PI, I);
1613       addAdditionalUsers(SwappedOps ? Cmp->getOperand(1) : Cmp->getOperand(0),
1614                          I);
1615       return createConstantExpression(cast<Constant>(FirstOp));
1616     }
1617   }
1618   return nullptr;
1619 }
1620
1621 // Evaluate read only and pure calls, and create an expression result.
1622 const Expression *NewGVN::performSymbolicCallEvaluation(Instruction *I) const {
1623   auto *CI = cast<CallInst>(I);
1624   if (auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(I)) {
1625     // Instrinsics with the returned attribute are copies of arguments.
1626     if (auto *ReturnedValue = II->getReturnedArgOperand()) {
1627       if (II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy)
1628         if (const auto *Result = performSymbolicPredicateInfoEvaluation(I))
1629           return Result;
1630       return createVariableOrConstant(ReturnedValue);
1631     }
1632   }
1633   if (AA->doesNotAccessMemory(CI)) {
1634     return createCallExpression(CI, TOPClass->getMemoryLeader());
1635   } else if (AA->onlyReadsMemory(CI)) {
1636     MemoryAccess *DefiningAccess = MSSAWalker->getClobberingMemoryAccess(CI);
1637     return createCallExpression(CI, DefiningAccess);
1638   }
1639   return nullptr;
1640 }
1641
1642 // Retrieve the memory class for a given MemoryAccess.
1643 CongruenceClass *NewGVN::getMemoryClass(const MemoryAccess *MA) const {
1644   auto *Result = MemoryAccessToClass.lookup(MA);
1645   assert(Result && "Should have found memory class");
1646   return Result;
1647 }
1648
1649 // Update the MemoryAccess equivalence table to say that From is equal to To,
1650 // and return true if this is different from what already existed in the table.
1651 bool NewGVN::setMemoryClass(const MemoryAccess *From,
1652                             CongruenceClass *NewClass) {
1653   assert(NewClass &&
1654          "Every MemoryAccess should be getting mapped to a non-null class");
1655   DEBUG(dbgs() << "Setting " << *From);
1656   DEBUG(dbgs() << " equivalent to congruence class ");
1657   DEBUG(dbgs() << NewClass->getID() << " with current MemoryAccess leader ");
1658   DEBUG(dbgs() << *NewClass->getMemoryLeader() << "\n");
1659
1660   auto LookupResult = MemoryAccessToClass.find(From);
1661   bool Changed = false;
1662   // If it's already in the table, see if the value changed.
1663   if (LookupResult != MemoryAccessToClass.end()) {
1664     auto *OldClass = LookupResult->second;
1665     if (OldClass != NewClass) {
1666       // If this is a phi, we have to handle memory member updates.
1667       if (auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(From)) {
1668         OldClass->memory_erase(MP);
1669         NewClass->memory_insert(MP);
1670         // This may have killed the class if it had no non-memory members
1671         if (OldClass->getMemoryLeader() == From) {
1672           if (OldClass->definesNoMemory()) {
1673             OldClass->setMemoryLeader(nullptr);
1674           } else {
1675             OldClass->setMemoryLeader(getNextMemoryLeader(OldClass));
1676             DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class "
1677                          << OldClass->getID() << " to "
1678                          << *OldClass->getMemoryLeader()
1679                          << " due to removal of a memory member " << *From
1680                          << "\n");
1681             markMemoryLeaderChangeTouched(OldClass);
1682           }
1683         }
1684       }
1685       // It wasn't equivalent before, and now it is.
1686       LookupResult->second = NewClass;
1687       Changed = true;
1688     }
1689   }
1690
1691   return Changed;
1692 }
1693
1694 // Determine if a instruction is cycle-free.  That means the values in the
1695 // instruction don't depend on any expressions that can change value as a result
1696 // of the instruction.  For example, a non-cycle free instruction would be v =
1697 // phi(0, v+1).
1698 bool NewGVN::isCycleFree(const Instruction *I) const {
1699   // In order to compute cycle-freeness, we do SCC finding on the instruction,
1700   // and see what kind of SCC it ends up in.  If it is a singleton, it is
1701   // cycle-free.  If it is not in a singleton, it is only cycle free if the
1702   // other members are all phi nodes (as they do not compute anything, they are
1703   // copies).
1704   auto ICS = InstCycleState.lookup(I);
1705   if (ICS == ICS_Unknown) {
1706     SCCFinder.Start(I);
1707     auto &SCC = SCCFinder.getComponentFor(I);
1708     // It's cycle free if it's size 1 or the SCC is *only* phi nodes.
1709     if (SCC.size() == 1)
1710       InstCycleState.insert({I, ICS_CycleFree});
1711     else {
1712       bool AllPhis = llvm::all_of(SCC, [](const Value *V) {
1713         return isa<PHINode>(V) || isCopyOfAPHI(V);
1714       });
1715       ICS = AllPhis ? ICS_CycleFree : ICS_Cycle;
1716       for (auto *Member : SCC)
1717         if (auto *MemberPhi = dyn_cast<PHINode>(Member))
1718           InstCycleState.insert({MemberPhi, ICS});
1719     }
1720   }
1721   if (ICS == ICS_Cycle)
1722     return false;
1723   return true;
1724 }
1725
1726 // Evaluate PHI nodes symbolically and create an expression result.
1727 const Expression *
1728 NewGVN::performSymbolicPHIEvaluation(ArrayRef<ValPair> PHIOps,
1729                                      Instruction *I,
1730                                      BasicBlock *PHIBlock) const {
1731   // True if one of the incoming phi edges is a backedge.
1732   bool HasBackedge = false;
1733   // All constant tracks the state of whether all the *original* phi operands
1734   // This is really shorthand for "this phi cannot cycle due to forward
1735   // change in value of the phi is guaranteed not to later change the value of
1736   // the phi. IE it can't be v = phi(undef, v+1)
1737   bool OriginalOpsConstant = true;
1738   auto *E = cast<PHIExpression>(createPHIExpression(
1739       PHIOps, I, PHIBlock, HasBackedge, OriginalOpsConstant));
1740   // We match the semantics of SimplifyPhiNode from InstructionSimplify here.
1741   // See if all arguments are the same.
1742   // We track if any were undef because they need special handling.
1743   bool HasUndef = false;
1744   auto Filtered = make_filter_range(E->operands(), [&](Value *Arg) {
1745     if (isa<UndefValue>(Arg)) {
1746       HasUndef = true;
1747       return false;
1748     }
1749     return true;
1750   });
1751   // If we are left with no operands, it's dead.
1752   if (Filtered.begin() == Filtered.end()) {
1753     // If it has undef at this point, it means there are no-non-undef arguments,
1754     // and thus, the value of the phi node must be undef.
1755     if (HasUndef) {
1756       DEBUG(dbgs() << "PHI Node " << *I
1757                    << " has no non-undef arguments, valuing it as undef\n");
1758       return createConstantExpression(UndefValue::get(I->getType()));
1759     }
1760
1761     DEBUG(dbgs() << "No arguments of PHI node " << *I << " are live\n");
1762     deleteExpression(E);
1763     return createDeadExpression();
1764   }
1765   Value *AllSameValue = *(Filtered.begin());
1766   ++Filtered.begin();
1767   // Can't use std::equal here, sadly, because filter.begin moves.
1768   if (llvm::all_of(Filtered, [&](Value *Arg) { return Arg == AllSameValue; })) {
1769     // In LLVM's non-standard representation of phi nodes, it's possible to have
1770     // phi nodes with cycles (IE dependent on other phis that are .... dependent
1771     // on the original phi node), especially in weird CFG's where some arguments
1772     // are unreachable, or uninitialized along certain paths.  This can cause
1773     // infinite loops during evaluation. We work around this by not trying to
1774     // really evaluate them independently, but instead using a variable
1775     // expression to say if one is equivalent to the other.
1776     // We also special case undef, so that if we have an undef, we can't use the
1777     // common value unless it dominates the phi block.
1778     if (HasUndef) {
1779       // If we have undef and at least one other value, this is really a
1780       // multivalued phi, and we need to know if it's cycle free in order to
1781       // evaluate whether we can ignore the undef.  The other parts of this are
1782       // just shortcuts.  If there is no backedge, or all operands are
1783       // constants, it also must be cycle free.
1784       if (HasBackedge && !OriginalOpsConstant &&
1785           !isa<UndefValue>(AllSameValue) && !isCycleFree(I))
1786         return E;
1787
1788       // Only have to check for instructions
1789       if (auto *AllSameInst = dyn_cast<Instruction>(AllSameValue))
1790         if (!someEquivalentDominates(AllSameInst, I))
1791           return E;
1792     }
1793     // Can't simplify to something that comes later in the iteration.
1794     // Otherwise, when and if it changes congruence class, we will never catch
1795     // up. We will always be a class behind it.
1796     if (isa<Instruction>(AllSameValue) &&
1797         InstrToDFSNum(AllSameValue) > InstrToDFSNum(I))
1798       return E;
1799     NumGVNPhisAllSame++;
1800     DEBUG(dbgs() << "Simplified PHI node " << *I << " to " << *AllSameValue
1801                  << "\n");
1802     deleteExpression(E);
1803     return createVariableOrConstant(AllSameValue);
1804   }
1805   return E;
1806 }
1807
1808 const Expression *
1809 NewGVN::performSymbolicAggrValueEvaluation(Instruction *I) const {
1810   if (auto *EI = dyn_cast<ExtractValueInst>(I)) {
1811     auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(EI->getAggregateOperand());
1812     if (II && EI->getNumIndices() == 1 && *EI->idx_begin() == 0) {
1813       unsigned Opcode = 0;
1814       // EI might be an extract from one of our recognised intrinsics. If it
1815       // is we'll synthesize a semantically equivalent expression instead on
1816       // an extract value expression.
1817       switch (II->getIntrinsicID()) {
1818       case Intrinsic::sadd_with_overflow:
1819       case Intrinsic::uadd_with_overflow:
1820         Opcode = Instruction::Add;
1821         break;
1822       case Intrinsic::ssub_with_overflow:
1823       case Intrinsic::usub_with_overflow:
1824         Opcode = Instruction::Sub;
1825         break;
1826       case Intrinsic::smul_with_overflow:
1827       case Intrinsic::umul_with_overflow:
1828         Opcode = Instruction::Mul;
1829         break;
1830       default:
1831         break;
1832       }
1833
1834       if (Opcode != 0) {
1835         // Intrinsic recognized. Grab its args to finish building the
1836         // expression.
1837         assert(II->getNumArgOperands() == 2 &&
1838                "Expect two args for recognised intrinsics.");
1839         return createBinaryExpression(Opcode, EI->getType(),
1840                                       II->getArgOperand(0),
1841                                       II->getArgOperand(1), I);
1842       }
1843     }
1844   }
1845
1846   return createAggregateValueExpression(I);
1847 }
1848
1849 const Expression *NewGVN::performSymbolicCmpEvaluation(Instruction *I) const {
1850   assert(isa<CmpInst>(I) && "Expected a cmp instruction.");
1851
1852   auto *CI = cast<CmpInst>(I);
1853   // See if our operands are equal to those of a previous predicate, and if so,
1854   // if it implies true or false.
1855   auto Op0 = lookupOperandLeader(CI->getOperand(0));
1856   auto Op1 = lookupOperandLeader(CI->getOperand(1));
1857   auto OurPredicate = CI->getPredicate();
1858   if (shouldSwapOperands(Op0, Op1)) {
1859     std::swap(Op0, Op1);
1860     OurPredicate = CI->getSwappedPredicate();
1861   }
1862
1863   // Avoid processing the same info twice.
1864   const PredicateBase *LastPredInfo = nullptr;
1865   // See if we know something about the comparison itself, like it is the target
1866   // of an assume.
1867   auto *CmpPI = PredInfo->getPredicateInfoFor(I);
1868   if (dyn_cast_or_null<PredicateAssume>(CmpPI))
1869     return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1870
1871   if (Op0 == Op1) {
1872     // This condition does not depend on predicates, no need to add users
1873     if (CI->isTrueWhenEqual())
1874       return createConstantExpression(ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1875     else if (CI->isFalseWhenEqual())
1876       return createConstantExpression(ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1877   }
1878
1879   // NOTE: Because we are comparing both operands here and below, and using
1880   // previous comparisons, we rely on fact that predicateinfo knows to mark
1881   // comparisons that use renamed operands as users of the earlier comparisons.
1882   // It is *not* enough to just mark predicateinfo renamed operands as users of
1883   // the earlier comparisons, because the *other* operand may have changed in a
1884   // previous iteration.
1885   // Example:
1886   // icmp slt %a, %b
1887   // %b.0 = ssa.copy(%b)
1888   // false branch:
1889   // icmp slt %c, %b.0
1890
1891   // %c and %a may start out equal, and thus, the code below will say the second
1892   // %icmp is false.  c may become equal to something else, and in that case the
1893   // %second icmp *must* be reexamined, but would not if only the renamed
1894   // %operands are considered users of the icmp.
1895
1896   // *Currently* we only check one level of comparisons back, and only mark one
1897   // level back as touched when changes happen.  If you modify this code to look
1898   // back farther through comparisons, you *must* mark the appropriate
1899   // comparisons as users in PredicateInfo.cpp, or you will cause bugs.  See if
1900   // we know something just from the operands themselves
1901
1902   // See if our operands have predicate info, so that we may be able to derive
1903   // something from a previous comparison.
1904   for (const auto &Op : CI->operands()) {
1905     auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(Op);
1906     if (const auto *PBranch = dyn_cast_or_null<PredicateBranch>(PI)) {
1907       if (PI == LastPredInfo)
1908         continue;
1909       LastPredInfo = PI;
1910       // In phi of ops cases, we may have predicate info that we are evaluating
1911       // in a different context.
1912       if (!DT->dominates(PBranch->To, getBlockForValue(I)))
1913         continue;
1914       // TODO: Along the false edge, we may know more things too, like
1915       // icmp of
1916       // same operands is false.
1917       // TODO: We only handle actual comparison conditions below, not
1918       // and/or.
1919       auto *BranchCond = dyn_cast<CmpInst>(PBranch->Condition);
1920       if (!BranchCond)
1921         continue;
1922       auto *BranchOp0 = lookupOperandLeader(BranchCond->getOperand(0));
1923       auto *BranchOp1 = lookupOperandLeader(BranchCond->getOperand(1));
1924       auto BranchPredicate = BranchCond->getPredicate();
1925       if (shouldSwapOperands(BranchOp0, BranchOp1)) {
1926         std::swap(BranchOp0, BranchOp1);
1927         BranchPredicate = BranchCond->getSwappedPredicate();
1928       }
1929       if (BranchOp0 == Op0 && BranchOp1 == Op1) {
1930         if (PBranch->TrueEdge) {
1931           // If we know the previous predicate is true and we are in the true
1932           // edge then we may be implied true or false.
1933           if (CmpInst::isImpliedTrueByMatchingCmp(BranchPredicate,
1934                                                   OurPredicate)) {
1935             addPredicateUsers(PI, I);
1936             return createConstantExpression(
1937                 ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1938           }
1939
1940           if (CmpInst::isImpliedFalseByMatchingCmp(BranchPredicate,
1941                                                    OurPredicate)) {
1942             addPredicateUsers(PI, I);
1943             return createConstantExpression(
1944                 ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1945           }
1946         } else {
1947           // Just handle the ne and eq cases, where if we have the same
1948           // operands, we may know something.
1949           if (BranchPredicate == OurPredicate) {
1950             addPredicateUsers(PI, I);
1951             // Same predicate, same ops,we know it was false, so this is false.
1952             return createConstantExpression(
1953                 ConstantInt::getFalse(CI->getType()));
1954           } else if (BranchPredicate ==
1955                      CmpInst::getInversePredicate(OurPredicate)) {
1956             addPredicateUsers(PI, I);
1957             // Inverse predicate, we know the other was false, so this is true.
1958             return createConstantExpression(
1959                 ConstantInt::getTrue(CI->getType()));
1960           }
1961         }
1962       }
1963     }
1964   }
1965   // Create expression will take care of simplifyCmpInst
1966   return createExpression(I);
1967 }
1968
1969 // Substitute and symbolize the value before value numbering.
1970 const Expression *
1971 NewGVN::performSymbolicEvaluation(Value *V,
1972                                   SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) const {
1973   const Expression *E = nullptr;
1974   if (auto *C = dyn_cast<Constant>(V))
1975     E = createConstantExpression(C);
1976   else if (isa<Argument>(V) || isa<GlobalVariable>(V)) {
1977     E = createVariableExpression(V);
1978   } else {
1979     // TODO: memory intrinsics.
1980     // TODO: Some day, we should do the forward propagation and reassociation
1981     // parts of the algorithm.
1982     auto *I = cast<Instruction>(V);
1983     switch (I->getOpcode()) {
1984     case Instruction::ExtractValue:
1985     case Instruction::InsertValue:
1986       E = performSymbolicAggrValueEvaluation(I);
1987       break;
1988     case Instruction::PHI: {
1989       SmallVector<ValPair, 3> Ops;
1990       auto *PN = cast<PHINode>(I);
1991       for (unsigned i = 0; i < PN->getNumOperands(); ++i)
1992         Ops.push_back({PN->getIncomingValue(i), PN->getIncomingBlock(i)});
1993       // Sort to ensure the invariant createPHIExpression requires is met.
1994       sortPHIOps(Ops);
1995       E = performSymbolicPHIEvaluation(Ops, I, getBlockForValue(I));
1996     } break;
1997     case Instruction::Call:
1998       E = performSymbolicCallEvaluation(I);
1999       break;
2000     case Instruction::Store:
2001       E = performSymbolicStoreEvaluation(I);
2002       break;
2003     case Instruction::Load:
2004       E = performSymbolicLoadEvaluation(I);
2005       break;
2006     case Instruction::BitCast: 
2007       E = createExpression(I);
2008       break;
2009     case Instruction::ICmp:
2010     case Instruction::FCmp:
2011       E = performSymbolicCmpEvaluation(I);
2012       break;
2013     case Instruction::Add:
2014     case Instruction::FAdd:
2015     case Instruction::Sub:
2016     case Instruction::FSub:
2017     case Instruction::Mul:
2018     case Instruction::FMul:
2019     case Instruction::UDiv:
2020     case Instruction::SDiv:
2021     case Instruction::FDiv:
2022     case Instruction::URem:
2023     case Instruction::SRem:
2024     case Instruction::FRem:
2025     case Instruction::Shl:
2026     case Instruction::LShr:
2027     case Instruction::AShr:
2028     case Instruction::And:
2029     case Instruction::Or:
2030     case Instruction::Xor:
2031     case Instruction::Trunc:
2032     case Instruction::ZExt:
2033     case Instruction::SExt:
2034     case Instruction::FPToUI:
2035     case Instruction::FPToSI:
2036     case Instruction::UIToFP:
2037     case Instruction::SIToFP:
2038     case Instruction::FPTrunc:
2039     case Instruction::FPExt:
2040     case Instruction::PtrToInt:
2041     case Instruction::IntToPtr:
2042     case Instruction::Select:
2043     case Instruction::ExtractElement:
2044     case Instruction::InsertElement:
2045     case Instruction::ShuffleVector:
2046     case Instruction::GetElementPtr:
2047       E = createExpression(I);
2048       break;
2049     default:
2050       return nullptr;
2051     }
2052   }
2053   return E;
2054 }
2055
2056 // Look up a container in a map, and then call a function for each thing in the
2057 // found container.
2058 template <typename Map, typename KeyType, typename Func>
2059 void NewGVN::for_each_found(Map &M, const KeyType &Key, Func F) {
2060   const auto Result = M.find_as(Key);
2061   if (Result != M.end())
2062     for (typename Map::mapped_type::value_type Mapped : Result->second)
2063       F(Mapped);
2064 }
2065
2066 // Look up a container of values/instructions in a map, and touch all the
2067 // instructions in the container.  Then erase value from the map.
2068 template <typename Map, typename KeyType>
2069 void NewGVN::touchAndErase(Map &M, const KeyType &Key) {
2070   const auto Result = M.find_as(Key);
2071   if (Result != M.end()) {
2072     for (const typename Map::mapped_type::value_type Mapped : Result->second)
2073       TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(Mapped));
2074     M.erase(Result);
2075   }
2076 }
2077
2078 void NewGVN::addAdditionalUsers(Value *To, Value *User) const {
2079   assert(User && To != User);
2080   if (isa<Instruction>(To))
2081     AdditionalUsers[To].insert(User);
2082 }
2083
2084 void NewGVN::markUsersTouched(Value *V) {
2085   // Now mark the users as touched.
2086   for (auto *User : V->users()) {
2087     assert(isa<Instruction>(User) && "Use of value not within an instruction?");
2088     TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(User));
2089   }
2090   touchAndErase(AdditionalUsers, V);
2091 }
2092
2093 void NewGVN::addMemoryUsers(const MemoryAccess *To, MemoryAccess *U) const {
2094   DEBUG(dbgs() << "Adding memory user " << *U << " to " << *To << "\n");
2095   MemoryToUsers[To].insert(U);
2096 }
2097
2098 void NewGVN::markMemoryDefTouched(const MemoryAccess *MA) {
2099   TouchedInstructions.set(MemoryToDFSNum(MA));
2100 }
2101
2102 void NewGVN::markMemoryUsersTouched(const MemoryAccess *MA) {
2103   if (isa<MemoryUse>(MA))
2104     return;
2105   for (auto U : MA->users())
2106     TouchedInstructions.set(MemoryToDFSNum(U));
2107   touchAndErase(MemoryToUsers, MA);
2108 }
2109
2110 // Add I to the set of users of a given predicate.
2111 void NewGVN::addPredicateUsers(const PredicateBase *PB, Instruction *I) const {
2112   // Don't add temporary instructions to the user lists.
2113   if (AllTempInstructions.count(I))
2114     return;
2115
2116   if (auto *PBranch = dyn_cast<PredicateBranch>(PB))
2117     PredicateToUsers[PBranch->Condition].insert(I);
2118   else if (auto *PAssume = dyn_cast<PredicateBranch>(PB))
2119     PredicateToUsers[PAssume->Condition].insert(I);
2120 }
2121
2122 // Touch all the predicates that depend on this instruction.
2123 void NewGVN::markPredicateUsersTouched(Instruction *I) {
2124   touchAndErase(PredicateToUsers, I);
2125 }
2126
2127 // Mark users affected by a memory leader change.
2128 void NewGVN::markMemoryLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC) {
2129   for (auto M : CC->memory())
2130     markMemoryDefTouched(M);
2131 }
2132
2133 // Touch the instructions that need to be updated after a congruence class has a
2134 // leader change, and mark changed values.
2135 void NewGVN::markValueLeaderChangeTouched(CongruenceClass *CC) {
2136   for (auto M : *CC) {
2137     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(M))
2138       TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(I));
2139     LeaderChanges.insert(M);
2140   }
2141 }
2142
2143 // Give a range of things that have instruction DFS numbers, this will return
2144 // the member of the range with the smallest dfs number.
2145 template <class T, class Range>
2146 T *NewGVN::getMinDFSOfRange(const Range &R) const {
2147   std::pair<T *, unsigned> MinDFS = {nullptr, ~0U};
2148   for (const auto X : R) {
2149     auto DFSNum = InstrToDFSNum(X);
2150     if (DFSNum < MinDFS.second)
2151       MinDFS = {X, DFSNum};
2152   }
2153   return MinDFS.first;
2154 }
2155
2156 // This function returns the MemoryAccess that should be the next leader of
2157 // congruence class CC, under the assumption that the current leader is going to
2158 // disappear.
2159 const MemoryAccess *NewGVN::getNextMemoryLeader(CongruenceClass *CC) const {
2160   // TODO: If this ends up to slow, we can maintain a next memory leader like we
2161   // do for regular leaders.
2162   // Make sure there will be a leader to find.
2163   assert(!CC->definesNoMemory() && "Can't get next leader if there is none");
2164   if (CC->getStoreCount() > 0) {
2165     if (auto *NL = dyn_cast_or_null<StoreInst>(CC->getNextLeader().first))
2166       return getMemoryAccess(NL);
2167     // Find the store with the minimum DFS number.
2168     auto *V = getMinDFSOfRange<Value>(make_filter_range(
2169         *CC, [&](const Value *V) { return isa<StoreInst>(V); }));
2170     return getMemoryAccess(cast<StoreInst>(V));
2171   }
2172   assert(CC->getStoreCount() == 0);
2173
2174   // Given our assertion, hitting this part must mean
2175   // !OldClass->memory_empty()
2176   if (CC->memory_size() == 1)
2177     return *CC->memory_begin();
2178   return getMinDFSOfRange<const MemoryPhi>(CC->memory());
2179 }
2180
2181 // This function returns the next value leader of a congruence class, under the
2182 // assumption that the current leader is going away.  This should end up being
2183 // the next most dominating member.
2184 Value *NewGVN::getNextValueLeader(CongruenceClass *CC) const {
2185   // We don't need to sort members if there is only 1, and we don't care about
2186   // sorting the TOP class because everything either gets out of it or is
2187   // unreachable.
2188
2189   if (CC->size() == 1 || CC == TOPClass) {
2190     return *(CC->begin());
2191   } else if (CC->getNextLeader().first) {
2192     ++NumGVNAvoidedSortedLeaderChanges;
2193     return CC->getNextLeader().first;
2194   } else {
2195     ++NumGVNSortedLeaderChanges;
2196     // NOTE: If this ends up to slow, we can maintain a dual structure for
2197     // member testing/insertion, or keep things mostly sorted, and sort only
2198     // here, or use SparseBitVector or ....
2199     return getMinDFSOfRange<Value>(*CC);
2200   }
2201 }
2202
2203 // Move a MemoryAccess, currently in OldClass, to NewClass, including updates to
2204 // the memory members, etc for the move.
2205 //
2206 // The invariants of this function are:
2207 //
2208 // - I must be moving to NewClass from OldClass
2209 // - The StoreCount of OldClass and NewClass is expected to have been updated
2210 //   for I already if it is a store.
2211 // - The OldClass memory leader has not been updated yet if I was the leader.
2212 void NewGVN::moveMemoryToNewCongruenceClass(Instruction *I,
2213                                             MemoryAccess *InstMA,
2214                                             CongruenceClass *OldClass,
2215                                             CongruenceClass *NewClass) {
2216   // If the leader is I, and we had a represenative MemoryAccess, it should
2217   // be the MemoryAccess of OldClass.
2218   assert((!InstMA || !OldClass->getMemoryLeader() ||
2219           OldClass->getLeader() != I ||
2220           MemoryAccessToClass.lookup(OldClass->getMemoryLeader()) ==
2221               MemoryAccessToClass.lookup(InstMA)) &&
2222          "Representative MemoryAccess mismatch");
2223   // First, see what happens to the new class
2224   if (!NewClass->getMemoryLeader()) {
2225     // Should be a new class, or a store becoming a leader of a new class.
2226     assert(NewClass->size() == 1 ||
2227            (isa<StoreInst>(I) && NewClass->getStoreCount() == 1));
2228     NewClass->setMemoryLeader(InstMA);
2229     // Mark it touched if we didn't just create a singleton
2230     DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class " << NewClass->getID()
2231                  << " due to new memory instruction becoming leader\n");
2232     markMemoryLeaderChangeTouched(NewClass);
2233   }
2234   setMemoryClass(InstMA, NewClass);
2235   // Now, fixup the old class if necessary
2236   if (OldClass->getMemoryLeader() == InstMA) {
2237     if (!OldClass->definesNoMemory()) {
2238       OldClass->setMemoryLeader(getNextMemoryLeader(OldClass));
2239       DEBUG(dbgs() << "Memory class leader change for class "
2240                    << OldClass->getID() << " to "
2241                    << *OldClass->getMemoryLeader()
2242                    << " due to removal of old leader " << *InstMA << "\n");
2243       markMemoryLeaderChangeTouched(OldClass);
2244     } else
2245       OldClass->setMemoryLeader(nullptr);
2246   }
2247 }
2248
2249 // Move a value, currently in OldClass, to be part of NewClass
2250 // Update OldClass and NewClass for the move (including changing leaders, etc).
2251 void NewGVN::moveValueToNewCongruenceClass(Instruction *I, const Expression *E,
2252                                            CongruenceClass *OldClass,
2253                                            CongruenceClass *NewClass) {
2254   if (I == OldClass->getNextLeader().first)
2255     OldClass->resetNextLeader();
2256
2257   OldClass->erase(I);
2258   NewClass->insert(I);
2259
2260   if (NewClass->getLeader() != I)
2261     NewClass->addPossibleNextLeader({I, InstrToDFSNum(I)});
2262   // Handle our special casing of stores.
2263   if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
2264     OldClass->decStoreCount();
2265     // Okay, so when do we want to make a store a leader of a class?
2266     // If we have a store defined by an earlier load, we want the earlier load
2267     // to lead the class.
2268     // If we have a store defined by something else, we want the store to lead
2269     // the class so everything else gets the "something else" as a value.
2270     // If we have a store as the single member of the class, we want the store
2271     // as the leader
2272     if (NewClass->getStoreCount() == 0 && !NewClass->getStoredValue()) {
2273       // If it's a store expression we are using, it means we are not equivalent
2274       // to something earlier.
2275       if (auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(E)) {
2276         NewClass->setStoredValue(SE->getStoredValue());
2277         markValueLeaderChangeTouched(NewClass);
2278         // Shift the new class leader to be the store
2279         DEBUG(dbgs() << "Changing leader of congruence class "
2280                      << NewClass->getID() << " from " << *NewClass->getLeader()
2281                      << " to  " << *SI << " because store joined class\n");
2282         // If we changed the leader, we have to mark it changed because we don't
2283         // know what it will do to symbolic evaluation.
2284         NewClass->setLeader(SI);
2285       }
2286       // We rely on the code below handling the MemoryAccess change.
2287     }
2288     NewClass->incStoreCount();
2289   }
2290   // True if there is no memory instructions left in a class that had memory
2291   // instructions before.
2292
2293   // If it's not a memory use, set the MemoryAccess equivalence
2294   auto *InstMA = dyn_cast_or_null<MemoryDef>(getMemoryAccess(I));
2295   if (InstMA)
2296     moveMemoryToNewCongruenceClass(I, InstMA, OldClass, NewClass);
2297   ValueToClass[I] = NewClass;
2298   // See if we destroyed the class or need to swap leaders.
2299   if (OldClass->empty() && OldClass != TOPClass) {
2300     if (OldClass->getDefiningExpr()) {
2301       DEBUG(dbgs() << "Erasing expression " << *OldClass->getDefiningExpr()
2302                    << " from table\n");
2303       // We erase it as an exact expression to make sure we don't just erase an
2304       // equivalent one.
2305       auto Iter = ExpressionToClass.find_as(
2306           ExactEqualsExpression(*OldClass->getDefiningExpr()));
2307       if (Iter != ExpressionToClass.end())
2308         ExpressionToClass.erase(Iter);
2309 #ifdef EXPENSIVE_CHECKS
2310       assert(
2311           (*OldClass->getDefiningExpr() != *E || ExpressionToClass.lookup(E)) &&
2312           "We erased the expression we just inserted, which should not happen");
2313 #endif
2314     }
2315   } else if (OldClass->getLeader() == I) {
2316     // When the leader changes, the value numbering of
2317     // everything may change due to symbolization changes, so we need to
2318     // reprocess.
2319     DEBUG(dbgs() << "Value class leader change for class " << OldClass->getID()
2320                  << "\n");
2321     ++NumGVNLeaderChanges;
2322     // Destroy the stored value if there are no more stores to represent it.
2323     // Note that this is basically clean up for the expression removal that
2324     // happens below.  If we remove stores from a class, we may leave it as a
2325     // class of equivalent memory phis.
2326     if (OldClass->getStoreCount() == 0) {
2327       if (OldClass->getStoredValue())
2328         OldClass->setStoredValue(nullptr);
2329     }
2330     OldClass->setLeader(getNextValueLeader(OldClass));
2331     OldClass->resetNextLeader();
2332     markValueLeaderChangeTouched(OldClass);
2333   }
2334 }
2335
2336 // For a given expression, mark the phi of ops instructions that could have
2337 // changed as a result.
2338 void NewGVN::markPhiOfOpsChanged(const Expression *E) {
2339   touchAndErase(ExpressionToPhiOfOps, E);
2340 }
2341
2342 // Perform congruence finding on a given value numbering expression.
2343 void NewGVN::performCongruenceFinding(Instruction *I, const Expression *E) {
2344   // This is guaranteed to return something, since it will at least find
2345   // TOP.
2346
2347   CongruenceClass *IClass = ValueToClass.lookup(I);
2348   assert(IClass && "Should have found a IClass");
2349   // Dead classes should have been eliminated from the mapping.
2350   assert(!IClass->isDead() && "Found a dead class");
2351
2352   CongruenceClass *EClass = nullptr;
2353   if (const auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E)) {
2354     EClass = ValueToClass.lookup(VE->getVariableValue());
2355   } else if (isa<DeadExpression>(E)) {
2356     EClass = TOPClass;
2357   }
2358   if (!EClass) {
2359     auto lookupResult = ExpressionToClass.insert({E, nullptr});
2360
2361     // If it's not in the value table, create a new congruence class.
2362     if (lookupResult.second) {
2363       CongruenceClass *NewClass = createCongruenceClass(nullptr, E);
2364       auto place = lookupResult.first;
2365       place->second = NewClass;
2366
2367       // Constants and variables should always be made the leader.
2368       if (const auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E)) {
2369         NewClass->setLeader(CE->getConstantValue());
2370       } else if (const auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(E)) {
2371         StoreInst *SI = SE->getStoreInst();
2372         NewClass->setLeader(SI);
2373         NewClass->setStoredValue(SE->getStoredValue());
2374         // The RepMemoryAccess field will be filled in properly by the
2375         // moveValueToNewCongruenceClass call.
2376       } else {
2377         NewClass->setLeader(I);
2378       }
2379       assert(!isa<VariableExpression>(E) &&
2380              "VariableExpression should have been handled already");
2381
2382       EClass = NewClass;
2383       DEBUG(dbgs() << "Created new congruence class for " << *I
2384                    << " using expression " << *E << " at " << NewClass->getID()
2385                    << " and leader " << *(NewClass->getLeader()));
2386       if (NewClass->getStoredValue())
2387         DEBUG(dbgs() << " and stored value " << *(NewClass->getStoredValue()));
2388       DEBUG(dbgs() << "\n");
2389     } else {
2390       EClass = lookupResult.first->second;
2391       if (isa<ConstantExpression>(E))
2392         assert((isa<Constant>(EClass->getLeader()) ||
2393                 (EClass->getStoredValue() &&
2394                  isa<Constant>(EClass->getStoredValue()))) &&
2395                "Any class with a constant expression should have a "
2396                "constant leader");
2397
2398       assert(EClass && "Somehow don't have an eclass");
2399
2400       assert(!EClass->isDead() && "We accidentally looked up a dead class");
2401     }
2402   }
2403   bool ClassChanged = IClass != EClass;
2404   bool LeaderChanged = LeaderChanges.erase(I);
2405   if (ClassChanged || LeaderChanged) {
2406     DEBUG(dbgs() << "New class " << EClass->getID() << " for expression " << *E
2407                  << "\n");
2408     if (ClassChanged) {
2409       moveValueToNewCongruenceClass(I, E, IClass, EClass);
2410       markPhiOfOpsChanged(E);
2411     }
2412
2413     markUsersTouched(I);
2414     if (MemoryAccess *MA = getMemoryAccess(I))
2415       markMemoryUsersTouched(MA);
2416     if (auto *CI = dyn_cast<CmpInst>(I))
2417       markPredicateUsersTouched(CI);
2418   }
2419   // If we changed the class of the store, we want to ensure nothing finds the
2420   // old store expression.  In particular, loads do not compare against stored
2421   // value, so they will find old store expressions (and associated class
2422   // mappings) if we leave them in the table.
2423   if (ClassChanged && isa<StoreInst>(I)) {
2424     auto *OldE = ValueToExpression.lookup(I);
2425     // It could just be that the old class died. We don't want to erase it if we
2426     // just moved classes.
2427     if (OldE && isa<StoreExpression>(OldE) && *E != *OldE) {
2428       // Erase this as an exact expression to ensure we don't erase expressions
2429       // equivalent to it.
2430       auto Iter = ExpressionToClass.find_as(ExactEqualsExpression(*OldE));
2431       if (Iter != ExpressionToClass.end())
2432         ExpressionToClass.erase(Iter);
2433     }
2434   }
2435   ValueToExpression[I] = E;
2436 }
2437
2438 // Process the fact that Edge (from, to) is reachable, including marking
2439 // any newly reachable blocks and instructions for processing.
2440 void NewGVN::updateReachableEdge(BasicBlock *From, BasicBlock *To) {
2441   // Check if the Edge was reachable before.
2442   if (ReachableEdges.insert({From, To}).second) {
2443     // If this block wasn't reachable before, all instructions are touched.
2444     if (ReachableBlocks.insert(To).second) {
2445       DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(To) << " marked reachable\n");
2446       const auto &InstRange = BlockInstRange.lookup(To);
2447       TouchedInstructions.set(InstRange.first, InstRange.second);
2448     } else {
2449       DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(To)
2450                    << " was reachable, but new edge {" << getBlockName(From)
2451                    << "," << getBlockName(To) << "} to it found\n");
2452
2453       // We've made an edge reachable to an existing block, which may
2454       // impact predicates. Otherwise, only mark the phi nodes as touched, as
2455       // they are the only thing that depend on new edges. Anything using their
2456       // values will get propagated to if necessary.
2457       if (MemoryAccess *MemPhi = getMemoryAccess(To))
2458         TouchedInstructions.set(InstrToDFSNum(MemPhi));
2459
2460       // FIXME: We should just add a union op on a Bitvector and
2461       // SparseBitVector.  We can do it word by word faster than we are doing it
2462       // here.
2463       for (auto InstNum : RevisitOnReachabilityChange[To])
2464         TouchedInstructions.set(InstNum);
2465     }
2466   }
2467 }
2468
2469 // Given a predicate condition (from a switch, cmp, or whatever) and a block,
2470 // see if we know some constant value for it already.
2471 Value *NewGVN::findConditionEquivalence(Value *Cond) const {
2472   auto Result = lookupOperandLeader(Cond);
2473   return isa<Constant>(Result) ? Result : nullptr;
2474 }
2475
2476 // Process the outgoing edges of a block for reachability.
2477 void NewGVN::processOutgoingEdges(TerminatorInst *TI, BasicBlock *B) {
2478   // Evaluate reachability of terminator instruction.
2479   BranchInst *BR;
2480   if ((BR = dyn_cast<BranchInst>(TI)) && BR->isConditional()) {
2481     Value *Cond = BR->getCondition();
2482     Value *CondEvaluated = findConditionEquivalence(Cond);
2483     if (!CondEvaluated) {
2484       if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(Cond)) {
2485         const Expression *E = createExpression(I);
2486         if (const auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E)) {
2487           CondEvaluated = CE->getConstantValue();
2488         }
2489       } else if (isa<ConstantInt>(Cond)) {
2490         CondEvaluated = Cond;
2491       }
2492     }
2493     ConstantInt *CI;
2494     BasicBlock *TrueSucc = BR->getSuccessor(0);
2495     BasicBlock *FalseSucc = BR->getSuccessor(1);
2496     if (CondEvaluated && (CI = dyn_cast<ConstantInt>(CondEvaluated))) {
2497       if (CI->isOne()) {
2498         DEBUG(dbgs() << "Condition for Terminator " << *TI
2499                      << " evaluated to true\n");
2500         updateReachableEdge(B, TrueSucc);
2501       } else if (CI->isZero()) {
2502         DEBUG(dbgs() << "Condition for Terminator " << *TI
2503                      << " evaluated to false\n");
2504         updateReachableEdge(B, FalseSucc);
2505       }
2506     } else {
2507       updateReachableEdge(B, TrueSucc);
2508       updateReachableEdge(B, FalseSucc);
2509     }
2510   } else if (auto *SI = dyn_cast<SwitchInst>(TI)) {
2511     // For switches, propagate the case values into the case
2512     // destinations.
2513
2514     // Remember how many outgoing edges there are to every successor.
2515     SmallDenseMap<BasicBlock *, unsigned, 16> SwitchEdges;
2516
2517     Value *SwitchCond = SI->getCondition();
2518     Value *CondEvaluated = findConditionEquivalence(SwitchCond);
2519     // See if we were able to turn this switch statement into a constant.
2520     if (CondEvaluated && isa<ConstantInt>(CondEvaluated)) {
2521       auto *CondVal = cast<ConstantInt>(CondEvaluated);
2522       // We should be able to get case value for this.
2523       auto Case = *SI->findCaseValue(CondVal);
2524       if (Case.getCaseSuccessor() == SI->getDefaultDest()) {
2525         // We proved the value is outside of the range of the case.
2526         // We can't do anything other than mark the default dest as reachable,
2527         // and go home.
2528         updateReachableEdge(B, SI->getDefaultDest());
2529         return;
2530       }
2531       // Now get where it goes and mark it reachable.
2532       BasicBlock *TargetBlock = Case.getCaseSuccessor();
2533       updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2534     } else {
2535       for (unsigned i = 0, e = SI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
2536         BasicBlock *TargetBlock = SI->getSuccessor(i);
2537         ++SwitchEdges[TargetBlock];
2538         updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2539       }
2540     }
2541   } else {
2542     // Otherwise this is either unconditional, or a type we have no
2543     // idea about. Just mark successors as reachable.
2544     for (unsigned i = 0, e = TI->getNumSuccessors(); i != e; ++i) {
2545       BasicBlock *TargetBlock = TI->getSuccessor(i);
2546       updateReachableEdge(B, TargetBlock);
2547     }
2548
2549     // This also may be a memory defining terminator, in which case, set it
2550     // equivalent only to itself.
2551     //
2552     auto *MA = getMemoryAccess(TI);
2553     if (MA && !isa<MemoryUse>(MA)) {
2554       auto *CC = ensureLeaderOfMemoryClass(MA);
2555       if (setMemoryClass(MA, CC))
2556         markMemoryUsersTouched(MA);
2557     }
2558   }
2559 }
2560
2561 // Remove the PHI of Ops PHI for I
2562 void NewGVN::removePhiOfOps(Instruction *I, PHINode *PHITemp) {
2563   InstrDFS.erase(PHITemp);
2564   // It's still a temp instruction. We keep it in the array so it gets erased.
2565   // However, it's no longer used by I, or in the block
2566   TempToBlock.erase(PHITemp);
2567   RealToTemp.erase(I);
2568   // We don't remove the users from the phi node uses. This wastes a little
2569   // time, but such is life.  We could use two sets to track which were there
2570   // are the start of NewGVN, and which were added, but right nowt he cost of
2571   // tracking is more than the cost of checking for more phi of ops.
2572 }
2573
2574 // Add PHI Op in BB as a PHI of operations version of ExistingValue.
2575 void NewGVN::addPhiOfOps(PHINode *Op, BasicBlock *BB,
2576                          Instruction *ExistingValue) {
2577   InstrDFS[Op] = InstrToDFSNum(ExistingValue);
2578   AllTempInstructions.insert(Op);
2579   TempToBlock[Op] = BB;
2580   RealToTemp[ExistingValue] = Op;
2581   // Add all users to phi node use, as they are now uses of the phi of ops phis
2582   // and may themselves be phi of ops.
2583   for (auto *U : ExistingValue->users())
2584     if (auto *UI = dyn_cast<Instruction>(U))
2585       PHINodeUses.insert(UI);
2586 }
2587
2588 static bool okayForPHIOfOps(const Instruction *I) {
2589   if (!EnablePhiOfOps)
2590     return false;
2591   return isa<BinaryOperator>(I) || isa<SelectInst>(I) || isa<CmpInst>(I) ||
2592          isa<LoadInst>(I);
2593 }
2594
2595 bool NewGVN::OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(
2596     Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
2597     SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited,
2598     SmallVectorImpl<Instruction *> &Worklist) {
2599
2600   if (!isa<Instruction>(V))
2601     return true;
2602   auto OISIt = OpSafeForPHIOfOps.find(V);
2603   if (OISIt != OpSafeForPHIOfOps.end())
2604     return OISIt->second;
2605
2606   // Keep walking until we either dominate the phi block, or hit a phi, or run
2607   // out of things to check.
2608   if (DT->properlyDominates(getBlockForValue(V), PHIBlock)) {
2609     OpSafeForPHIOfOps.insert({V, true});
2610     return true;
2611   }
2612   // PHI in the same block.
2613   if (isa<PHINode>(V) && getBlockForValue(V) == PHIBlock) {
2614     OpSafeForPHIOfOps.insert({V, false});
2615     return false;
2616   }
2617
2618   auto *OrigI = cast<Instruction>(V);
2619   for (auto *Op : OrigI->operand_values()) {
2620     if (!isa<Instruction>(Op))
2621       continue;
2622     // Stop now if we find an unsafe operand.
2623     auto OISIt = OpSafeForPHIOfOps.find(OrigI);
2624     if (OISIt != OpSafeForPHIOfOps.end()) {
2625       if (!OISIt->second) {
2626         OpSafeForPHIOfOps.insert({V, false});
2627         return false;
2628       }
2629       continue;
2630     }
2631     if (!Visited.insert(Op).second)
2632       continue;
2633     Worklist.push_back(cast<Instruction>(Op));
2634   }
2635   return true;
2636 }
2637
2638 // Return true if this operand will be safe to use for phi of ops.
2639 //
2640 // The reason some operands are unsafe is that we are not trying to recursively
2641 // translate everything back through phi nodes.  We actually expect some lookups
2642 // of expressions to fail.  In particular, a lookup where the expression cannot
2643 // exist in the predecessor.  This is true even if the expression, as shown, can
2644 // be determined to be constant.
2645 bool NewGVN::OpIsSafeForPHIOfOps(Value *V, const BasicBlock *PHIBlock,
2646                                  SmallPtrSetImpl<const Value *> &Visited) {
2647   SmallVector<Instruction *, 4> Worklist;
2648   if (!OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(V, PHIBlock, Visited, Worklist))
2649     return false;
2650   while (!Worklist.empty()) {
2651     auto *I = Worklist.pop_back_val();
2652     if (!OpIsSafeForPHIOfOpsHelper(I, PHIBlock, Visited, Worklist))
2653       return false;
2654   }
2655   OpSafeForPHIOfOps.insert({V, true});
2656   return true;
2657 }
2658
2659 // Try to find a leader for instruction TransInst, which is a phi translated
2660 // version of something in our original program.  Visited is used to ensure we
2661 // don't infinite loop during translations of cycles.  OrigInst is the
2662 // instruction in the original program, and PredBB is the predecessor we
2663 // translated it through.
2664 Value *NewGVN::findLeaderForInst(Instruction *TransInst,
2665                                  SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited,
2666                                  MemoryAccess *MemAccess, Instruction *OrigInst,
2667                                  BasicBlock *PredBB) {
2668   unsigned IDFSNum = InstrToDFSNum(OrigInst);
2669   // Make sure it's marked as a temporary instruction.
2670   AllTempInstructions.insert(TransInst);
2671   // and make sure anything that tries to add it's DFS number is
2672   // redirected to the instruction we are making a phi of ops
2673   // for.
2674   TempToBlock.insert({TransInst, PredBB});
2675   InstrDFS.insert({TransInst, IDFSNum});
2676
2677   const Expression *E = performSymbolicEvaluation(TransInst, Visited);
2678   InstrDFS.erase(TransInst);
2679   AllTempInstructions.erase(TransInst);
2680   TempToBlock.erase(TransInst);
2681   if (MemAccess)
2682     TempToMemory.erase(TransInst);
2683   if (!E)
2684     return nullptr;
2685   auto *FoundVal = findPHIOfOpsLeader(E, OrigInst, PredBB);
2686   if (!FoundVal) {
2687     ExpressionToPhiOfOps[E].insert(OrigInst);
2688     DEBUG(dbgs() << "Cannot find phi of ops operand for " << *TransInst
2689                  << " in block " << getBlockName(PredBB) << "\n");
2690     return nullptr;
2691   }
2692   if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(FoundVal))
2693     FoundVal = SI->getValueOperand();
2694   return FoundVal;
2695 }
2696
2697 // When we see an instruction that is an op of phis, generate the equivalent phi
2698 // of ops form.
2699 const Expression *
2700 NewGVN::makePossiblePHIOfOps(Instruction *I,
2701                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
2702   if (!okayForPHIOfOps(I))
2703     return nullptr;
2704
2705   if (!Visited.insert(I).second)
2706     return nullptr;
2707   // For now, we require the instruction be cycle free because we don't
2708   // *always* create a phi of ops for instructions that could be done as phi
2709   // of ops, we only do it if we think it is useful.  If we did do it all the
2710   // time, we could remove the cycle free check.
2711   if (!isCycleFree(I))
2712     return nullptr;
2713
2714   SmallPtrSet<const Value *, 8> ProcessedPHIs;
2715   // TODO: We don't do phi translation on memory accesses because it's
2716   // complicated. For a load, we'd need to be able to simulate a new memoryuse,
2717   // which we don't have a good way of doing ATM.
2718   auto *MemAccess = getMemoryAccess(I);
2719   // If the memory operation is defined by a memory operation this block that
2720   // isn't a MemoryPhi, transforming the pointer backwards through a scalar phi
2721   // can't help, as it would still be killed by that memory operation.
2722   if (MemAccess && !isa<MemoryPhi>(MemAccess->getDefiningAccess()) &&
2723       MemAccess->getDefiningAccess()->getBlock() == I->getParent())
2724     return nullptr;
2725
2726   SmallPtrSet<const Value *, 10> VisitedOps;
2727   // Convert op of phis to phi of ops
2728   for (auto *Op : I->operand_values()) {
2729     if (!isa<PHINode>(Op)) {
2730       auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(Op);
2731       if (!ValuePHI)
2732         continue;
2733       DEBUG(dbgs() << "Found possible dependent phi of ops\n");
2734       Op = ValuePHI;
2735     }
2736     auto *OpPHI = cast<PHINode>(Op);
2737     // No point in doing this for one-operand phis.
2738     if (OpPHI->getNumOperands() == 1)
2739       continue;
2740     if (!DebugCounter::shouldExecute(PHIOfOpsCounter))
2741       return nullptr;
2742     SmallVector<ValPair, 4> Ops;
2743     SmallPtrSet<Value *, 4> Deps;
2744     auto *PHIBlock = getBlockForValue(OpPHI);
2745     RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].reset(InstrToDFSNum(I));
2746     for (unsigned PredNum = 0; PredNum < OpPHI->getNumOperands(); ++PredNum) {
2747       auto *PredBB = OpPHI->getIncomingBlock(PredNum);
2748       Value *FoundVal = nullptr;
2749       // We could just skip unreachable edges entirely but it's tricky to do
2750       // with rewriting existing phi nodes.
2751       if (ReachableEdges.count({PredBB, PHIBlock})) {
2752         // Clone the instruction, create an expression from it that is
2753         // translated back into the predecessor, and see if we have a leader.
2754         Instruction *ValueOp = I->clone();
2755         if (MemAccess)
2756           TempToMemory.insert({ValueOp, MemAccess});
2757         bool SafeForPHIOfOps = true;
2758         VisitedOps.clear();
2759         for (auto &Op : ValueOp->operands()) {
2760           auto *OrigOp = &*Op;
2761           // When these operand changes, it could change whether there is a
2762           // leader for us or not, so we have to add additional users.
2763           if (isa<PHINode>(Op)) {
2764             Op = Op->DoPHITranslation(PHIBlock, PredBB);
2765             if (Op != OrigOp && Op != I)
2766               Deps.insert(Op);
2767           } else if (auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(Op)) {
2768             if (getBlockForValue(ValuePHI) == PHIBlock)
2769               Op = ValuePHI->getIncomingValueForBlock(PredBB);
2770           }
2771           // If we phi-translated the op, it must be safe.
2772           SafeForPHIOfOps =
2773               SafeForPHIOfOps &&
2774               (Op != OrigOp || OpIsSafeForPHIOfOps(Op, PHIBlock, VisitedOps));
2775         }
2776         // FIXME: For those things that are not safe we could generate
2777         // expressions all the way down, and see if this comes out to a
2778         // constant.  For anything where that is true, and unsafe, we should
2779         // have made a phi-of-ops (or value numbered it equivalent to something)
2780         // for the pieces already.
2781         FoundVal = !SafeForPHIOfOps ? nullptr
2782                                     : findLeaderForInst(ValueOp, Visited,
2783                                                         MemAccess, I, PredBB);
2784         ValueOp->deleteValue();
2785         if (!FoundVal)
2786           return nullptr;
2787       } else {
2788         DEBUG(dbgs() << "Skipping phi of ops operand for incoming block "
2789                      << getBlockName(PredBB)
2790                      << " because the block is unreachable\n");
2791         FoundVal = UndefValue::get(I->getType());
2792         RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].set(InstrToDFSNum(I));
2793       }
2794
2795       Ops.push_back({FoundVal, PredBB});
2796       DEBUG(dbgs() << "Found phi of ops operand " << *FoundVal << " in "
2797                    << getBlockName(PredBB) << "\n");
2798     }
2799     for (auto Dep : Deps)
2800       addAdditionalUsers(Dep, I);
2801     sortPHIOps(Ops);
2802     auto *E = performSymbolicPHIEvaluation(Ops, I, PHIBlock);
2803     if (isa<ConstantExpression>(E) || isa<VariableExpression>(E)) {
2804       DEBUG(dbgs()
2805             << "Not creating real PHI of ops because it simplified to existing "
2806                "value or constant\n");
2807       return E;
2808     }
2809     auto *ValuePHI = RealToTemp.lookup(I);
2810     bool NewPHI = false;
2811     if (!ValuePHI) {
2812       ValuePHI =
2813           PHINode::Create(I->getType(), OpPHI->getNumOperands(), "phiofops");
2814       addPhiOfOps(ValuePHI, PHIBlock, I);
2815       NewPHI = true;
2816       NumGVNPHIOfOpsCreated++;
2817     }
2818     if (NewPHI) {
2819       for (auto PHIOp : Ops)
2820         ValuePHI->addIncoming(PHIOp.first, PHIOp.second);
2821     } else {
2822       TempToBlock[ValuePHI] = PHIBlock;
2823       unsigned int i = 0;
2824       for (auto PHIOp : Ops) {
2825         ValuePHI->setIncomingValue(i, PHIOp.first);
2826         ValuePHI->setIncomingBlock(i, PHIOp.second);
2827         ++i;
2828       }
2829     }
2830     RevisitOnReachabilityChange[PHIBlock].set(InstrToDFSNum(I));
2831     DEBUG(dbgs() << "Created phi of ops " << *ValuePHI << " for " << *I
2832                  << "\n");
2833
2834     return E;
2835   }
2836   return nullptr;
2837 }
2838
2839 // The algorithm initially places the values of the routine in the TOP
2840 // congruence class. The leader of TOP is the undetermined value `undef`.
2841 // When the algorithm has finished, values still in TOP are unreachable.
2842 void NewGVN::initializeCongruenceClasses(Function &F) {
2843   NextCongruenceNum = 0;
2844
2845   // Note that even though we use the live on entry def as a representative
2846   // MemoryAccess, it is *not* the same as the actual live on entry def. We
2847   // have no real equivalemnt to undef for MemoryAccesses, and so we really
2848   // should be checking whether the MemoryAccess is top if we want to know if it
2849   // is equivalent to everything.  Otherwise, what this really signifies is that
2850   // the access "it reaches all the way back to the beginning of the function"
2851
2852   // Initialize all other instructions to be in TOP class.
2853   TOPClass = createCongruenceClass(nullptr, nullptr);
2854   TOPClass->setMemoryLeader(MSSA->getLiveOnEntryDef());
2855   //  The live on entry def gets put into it's own class
2856   MemoryAccessToClass[MSSA->getLiveOnEntryDef()] =
2857       createMemoryClass(MSSA->getLiveOnEntryDef());
2858
2859   for (auto DTN : nodes(DT)) {
2860     BasicBlock *BB = DTN->getBlock();
2861     // All MemoryAccesses are equivalent to live on entry to start. They must
2862     // be initialized to something so that initial changes are noticed. For
2863     // the maximal answer, we initialize them all to be the same as
2864     // liveOnEntry.
2865     auto *MemoryBlockDefs = MSSA->getBlockDefs(BB);
2866     if (MemoryBlockDefs)
2867       for (const auto &Def : *MemoryBlockDefs) {
2868         MemoryAccessToClass[&Def] = TOPClass;
2869         auto *MD = dyn_cast<MemoryDef>(&Def);
2870         // Insert the memory phis into the member list.
2871         if (!MD) {
2872           const MemoryPhi *MP = cast<MemoryPhi>(&Def);
2873           TOPClass->memory_insert(MP);
2874           MemoryPhiState.insert({MP, MPS_TOP});
2875         }
2876
2877         if (MD && isa<StoreInst>(MD->getMemoryInst()))
2878           TOPClass->incStoreCount();
2879       }
2880
2881     // FIXME: This is trying to discover which instructions are uses of phi
2882     // nodes.  We should move this into one of the myriad of places that walk
2883     // all the operands already.
2884     for (auto &I : *BB) {
2885       if (isa<PHINode>(&I))
2886         for (auto *U : I.users())
2887           if (auto *UInst = dyn_cast<Instruction>(U))
2888             if (InstrToDFSNum(UInst) != 0 && okayForPHIOfOps(UInst))
2889               PHINodeUses.insert(UInst);
2890       // Don't insert void terminators into the class. We don't value number
2891       // them, and they just end up sitting in TOP.
2892       if (isa<TerminatorInst>(I) && I.getType()->isVoidTy())
2893         continue;
2894       TOPClass->insert(&I);
2895       ValueToClass[&I] = TOPClass;
2896     }
2897   }
2898
2899   // Initialize arguments to be in their own unique congruence classes
2900   for (auto &FA : F.args())
2901     createSingletonCongruenceClass(&FA);
2902 }
2903
2904 void NewGVN::cleanupTables() {
2905   for (unsigned i = 0, e = CongruenceClasses.size(); i != e; ++i) {
2906     DEBUG(dbgs() << "Congruence class " << CongruenceClasses[i]->getID()
2907                  << " has " << CongruenceClasses[i]->size() << " members\n");
2908     // Make sure we delete the congruence class (probably worth switching to
2909     // a unique_ptr at some point.
2910     delete CongruenceClasses[i];
2911     CongruenceClasses[i] = nullptr;
2912   }
2913
2914   // Destroy the value expressions
2915   SmallVector<Instruction *, 8> TempInst(AllTempInstructions.begin(),
2916                                          AllTempInstructions.end());
2917   AllTempInstructions.clear();
2918
2919   // We have to drop all references for everything first, so there are no uses
2920   // left as we delete them.
2921   for (auto *I : TempInst) {
2922     I->dropAllReferences();
2923   }
2924
2925   while (!TempInst.empty()) {
2926     auto *I = TempInst.back();
2927     TempInst.pop_back();
2928     I->deleteValue();
2929   }
2930
2931   ValueToClass.clear();
2932   ArgRecycler.clear(ExpressionAllocator);
2933   ExpressionAllocator.Reset();
2934   CongruenceClasses.clear();
2935   ExpressionToClass.clear();
2936   ValueToExpression.clear();
2937   RealToTemp.clear();
2938   AdditionalUsers.clear();
2939   ExpressionToPhiOfOps.clear();
2940   TempToBlock.clear();
2941   TempToMemory.clear();
2942   PHINodeUses.clear();
2943   OpSafeForPHIOfOps.clear();
2944   ReachableBlocks.clear();
2945   ReachableEdges.clear();
2946 #ifndef NDEBUG
2947   ProcessedCount.clear();
2948 #endif
2949   InstrDFS.clear();
2950   InstructionsToErase.clear();
2951   DFSToInstr.clear();
2952   BlockInstRange.clear();
2953   TouchedInstructions.clear();
2954   MemoryAccessToClass.clear();
2955   PredicateToUsers.clear();
2956   MemoryToUsers.clear();
2957   RevisitOnReachabilityChange.clear();
2958 }
2959
2960 // Assign local DFS number mapping to instructions, and leave space for Value
2961 // PHI's.
2962 std::pair<unsigned, unsigned> NewGVN::assignDFSNumbers(BasicBlock *B,
2963                                                        unsigned Start) {
2964   unsigned End = Start;
2965   if (MemoryAccess *MemPhi = getMemoryAccess(B)) {
2966     InstrDFS[MemPhi] = End++;
2967     DFSToInstr.emplace_back(MemPhi);
2968   }
2969
2970   // Then the real block goes next.
2971   for (auto &I : *B) {
2972     // There's no need to call isInstructionTriviallyDead more than once on
2973     // an instruction. Therefore, once we know that an instruction is dead
2974     // we change its DFS number so that it doesn't get value numbered.
2975     if (isInstructionTriviallyDead(&I, TLI)) {
2976       InstrDFS[&I] = 0;
2977       DEBUG(dbgs() << "Skipping trivially dead instruction " << I << "\n");
2978       markInstructionForDeletion(&I);
2979       continue;
2980     }
2981     if (isa<PHINode>(&I))
2982       RevisitOnReachabilityChange[B].set(End);
2983     InstrDFS[&I] = End++;
2984     DFSToInstr.emplace_back(&I);
2985   }
2986
2987   // All of the range functions taken half-open ranges (open on the end side).
2988   // So we do not subtract one from count, because at this point it is one
2989   // greater than the last instruction.
2990   return std::make_pair(Start, End);
2991 }
2992
2993 void NewGVN::updateProcessedCount(const Value *V) {
2994 #ifndef NDEBUG
2995   if (ProcessedCount.count(V) == 0) {
2996     ProcessedCount.insert({V, 1});
2997   } else {
2998     ++ProcessedCount[V];
2999     assert(ProcessedCount[V] < 100 &&
3000            "Seem to have processed the same Value a lot");
3001   }
3002 #endif
3003 }
3004
3005 // Evaluate MemoryPhi nodes symbolically, just like PHI nodes
3006 void NewGVN::valueNumberMemoryPhi(MemoryPhi *MP) {
3007   // If all the arguments are the same, the MemoryPhi has the same value as the
3008   // argument.  Filter out unreachable blocks and self phis from our operands.
3009   // TODO: We could do cycle-checking on the memory phis to allow valueizing for
3010   // self-phi checking.
3011   const BasicBlock *PHIBlock = MP->getBlock();
3012   auto Filtered = make_filter_range(MP->operands(), [&](const Use &U) {
3013     return cast<MemoryAccess>(U) != MP &&
3014            !isMemoryAccessTOP(cast<MemoryAccess>(U)) &&
3015            ReachableEdges.count({MP->getIncomingBlock(U), PHIBlock});
3016   });
3017   // If all that is left is nothing, our memoryphi is undef. We keep it as
3018   // InitialClass.  Note: The only case this should happen is if we have at
3019   // least one self-argument.
3020   if (Filtered.begin() == Filtered.end()) {
3021     if (setMemoryClass(MP, TOPClass))
3022       markMemoryUsersTouched(MP);
3023     return;
3024   }
3025
3026   // Transform the remaining operands into operand leaders.
3027   // FIXME: mapped_iterator should have a range version.
3028   auto LookupFunc = [&](const Use &U) {
3029     return lookupMemoryLeader(cast<MemoryAccess>(U));
3030   };
3031   auto MappedBegin = map_iterator(Filtered.begin(), LookupFunc);
3032   auto MappedEnd = map_iterator(Filtered.end(), LookupFunc);
3033
3034   // and now check if all the elements are equal.
3035   // Sadly, we can't use std::equals since these are random access iterators.
3036   const auto *AllSameValue = *MappedBegin;
3037   ++MappedBegin;
3038   bool AllEqual = std::all_of(
3039       MappedBegin, MappedEnd,
3040       [&AllSameValue](const MemoryAccess *V) { return V == AllSameValue; });
3041
3042   if (AllEqual)
3043     DEBUG(dbgs() << "Memory Phi value numbered to " << *AllSameValue << "\n");
3044   else
3045     DEBUG(dbgs() << "Memory Phi value numbered to itself\n");
3046   // If it's equal to something, it's in that class. Otherwise, it has to be in
3047   // a class where it is the leader (other things may be equivalent to it, but
3048   // it needs to start off in its own class, which means it must have been the
3049   // leader, and it can't have stopped being the leader because it was never
3050   // removed).
3051   CongruenceClass *CC =
3052       AllEqual ? getMemoryClass(AllSameValue) : ensureLeaderOfMemoryClass(MP);
3053   auto OldState = MemoryPhiState.lookup(MP);
3054   assert(OldState != MPS_Invalid && "Invalid memory phi state");
3055   auto NewState = AllEqual ? MPS_Equivalent : MPS_Unique;
3056   MemoryPhiState[MP] = NewState;
3057   if (setMemoryClass(MP, CC) || OldState != NewState)
3058     markMemoryUsersTouched(MP);
3059 }
3060
3061 // Value number a single instruction, symbolically evaluating, performing
3062 // congruence finding, and updating mappings.
3063 void NewGVN::valueNumberInstruction(Instruction *I) {
3064   DEBUG(dbgs() << "Processing instruction " << *I << "\n");
3065   if (!I->isTerminator()) {
3066     const Expression *Symbolized = nullptr;
3067     SmallPtrSet<Value *, 2> Visited;
3068     if (DebugCounter::shouldExecute(VNCounter)) {
3069       Symbolized = performSymbolicEvaluation(I, Visited);
3070       // Make a phi of ops if necessary
3071       if (Symbolized && !isa<ConstantExpression>(Symbolized) &&
3072           !isa<VariableExpression>(Symbolized) && PHINodeUses.count(I)) {
3073         auto *PHIE = makePossiblePHIOfOps(I, Visited);
3074         // If we created a phi of ops, use it.
3075         // If we couldn't create one, make sure we don't leave one lying around
3076         if (PHIE) {
3077           Symbolized = PHIE;
3078         } else if (auto *Op = RealToTemp.lookup(I)) {
3079           removePhiOfOps(I, Op);
3080         }
3081       }
3082     } else {
3083       // Mark the instruction as unused so we don't value number it again.
3084       InstrDFS[I] = 0;
3085     }
3086     // If we couldn't come up with a symbolic expression, use the unknown
3087     // expression
3088     if (Symbolized == nullptr)
3089       Symbolized = createUnknownExpression(I);
3090     performCongruenceFinding(I, Symbolized);
3091   } else {
3092     // Handle terminators that return values. All of them produce values we
3093     // don't currently understand.  We don't place non-value producing
3094     // terminators in a class.
3095     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
3096       auto *Symbolized = createUnknownExpression(I);
3097       performCongruenceFinding(I, Symbolized);
3098     }
3099     processOutgoingEdges(dyn_cast<TerminatorInst>(I), I->getParent());
3100   }
3101 }
3102
3103 // Check if there is a path, using single or equal argument phi nodes, from
3104 // First to Second.
3105 bool NewGVN::singleReachablePHIPath(
3106     SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> &Visited, const MemoryAccess *First,
3107     const MemoryAccess *Second) const {
3108   if (First == Second)
3109     return true;
3110   if (MSSA->isLiveOnEntryDef(First))
3111     return false;
3112
3113   // This is not perfect, but as we're just verifying here, we can live with
3114   // the loss of precision. The real solution would be that of doing strongly
3115   // connected component finding in this routine, and it's probably not worth
3116   // the complexity for the time being. So, we just keep a set of visited
3117   // MemoryAccess and return true when we hit a cycle.
3118   if (Visited.count(First))
3119     return true;
3120   Visited.insert(First);
3121
3122   const auto *EndDef = First;
3123   for (auto *ChainDef : optimized_def_chain(First)) {
3124     if (ChainDef == Second)
3125       return true;
3126     if (MSSA->isLiveOnEntryDef(ChainDef))
3127       return false;
3128     EndDef = ChainDef;
3129   }
3130   auto *MP = cast<MemoryPhi>(EndDef);
3131   auto ReachableOperandPred = [&](const Use &U) {
3132     return ReachableEdges.count({MP->getIncomingBlock(U), MP->getBlock()});
3133   };
3134   auto FilteredPhiArgs =
3135       make_filter_range(MP->operands(), ReachableOperandPred);
3136   SmallVector<const Value *, 32> OperandList;
3137   std::copy(FilteredPhiArgs.begin(), FilteredPhiArgs.end(),
3138             std::back_inserter(OperandList));
3139   bool Okay = OperandList.size() == 1;
3140   if (!Okay)
3141     Okay =
3142         std::equal(OperandList.begin(), OperandList.end(), OperandList.begin());
3143   if (Okay)
3144     return singleReachablePHIPath(Visited, cast<MemoryAccess>(OperandList[0]),
3145                                   Second);
3146   return false;
3147 }
3148
3149 // Verify the that the memory equivalence table makes sense relative to the
3150 // congruence classes.  Note that this checking is not perfect, and is currently
3151 // subject to very rare false negatives. It is only useful for
3152 // testing/debugging.
3153 void NewGVN::verifyMemoryCongruency() const {
3154 #ifndef NDEBUG
3155   // Verify that the memory table equivalence and memory member set match
3156   for (const auto *CC : CongruenceClasses) {
3157     if (CC == TOPClass || CC->isDead())
3158       continue;
3159     if (CC->getStoreCount() != 0) {
3160       assert((CC->getStoredValue() || !isa<StoreInst>(CC->getLeader())) &&
3161              "Any class with a store as a leader should have a "
3162              "representative stored value");
3163       assert(CC->getMemoryLeader() &&
3164              "Any congruence class with a store should have a "
3165              "representative access");
3166     }
3167
3168     if (CC->getMemoryLeader())
3169       assert(MemoryAccessToClass.lookup(CC->getMemoryLeader()) == CC &&
3170              "Representative MemoryAccess does not appear to be reverse "
3171              "mapped properly");
3172     for (auto M : CC->memory())
3173       assert(MemoryAccessToClass.lookup(M) == CC &&
3174              "Memory member does not appear to be reverse mapped properly");
3175   }
3176
3177   // Anything equivalent in the MemoryAccess table should be in the same
3178   // congruence class.
3179
3180   // Filter out the unreachable and trivially dead entries, because they may
3181   // never have been updated if the instructions were not processed.
3182   auto ReachableAccessPred =
3183       [&](const std::pair<const MemoryAccess *, CongruenceClass *> Pair) {
3184         bool Result = ReachableBlocks.count(Pair.first->getBlock());
3185         if (!Result || MSSA->isLiveOnEntryDef(Pair.first) ||
3186             MemoryToDFSNum(Pair.first) == 0)
3187           return false;
3188         if (auto *MemDef = dyn_cast<MemoryDef>(Pair.first))
3189           return !isInstructionTriviallyDead(MemDef->getMemoryInst());
3190
3191         // We could have phi nodes which operands are all trivially dead,
3192         // so we don't process them.
3193         if (auto *MemPHI = dyn_cast<MemoryPhi>(Pair.first)) {
3194           for (auto &U : MemPHI->incoming_values()) {
3195             if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(&*U)) {
3196               if (!isInstructionTriviallyDead(I))
3197                 return true;
3198             }
3199           }
3200           return false;
3201         }
3202
3203         return true;
3204       };
3205
3206   auto Filtered = make_filter_range(MemoryAccessToClass, ReachableAccessPred);
3207   for (auto KV : Filtered) {
3208     if (auto *FirstMUD = dyn_cast<MemoryUseOrDef>(KV.first)) {
3209       auto *SecondMUD = dyn_cast<MemoryUseOrDef>(KV.second->getMemoryLeader());
3210       if (FirstMUD && SecondMUD) {
3211         SmallPtrSet<const MemoryAccess *, 8> VisitedMAS;
3212         assert((singleReachablePHIPath(VisitedMAS, FirstMUD, SecondMUD) ||
3213                 ValueToClass.lookup(FirstMUD->getMemoryInst()) ==
3214                     ValueToClass.lookup(SecondMUD->getMemoryInst())) &&
3215                "The instructions for these memory operations should have "
3216                "been in the same congruence class or reachable through"
3217                "a single argument phi");
3218       }
3219     } else if (auto *FirstMP = dyn_cast<MemoryPhi>(KV.first)) {
3220       // We can only sanely verify that MemoryDefs in the operand list all have
3221       // the same class.
3222       auto ReachableOperandPred = [&](const Use &U) {
3223         return ReachableEdges.count(
3224                    {FirstMP->getIncomingBlock(U), FirstMP->getBlock()}) &&
3225                isa<MemoryDef>(U);
3226
3227       };
3228       // All arguments should in the same class, ignoring unreachable arguments
3229       auto FilteredPhiArgs =
3230           make_filter_range(FirstMP->operands(), ReachableOperandPred);
3231       SmallVector<const CongruenceClass *, 16> PhiOpClasses;
3232       std::transform(FilteredPhiArgs.begin(), FilteredPhiArgs.end(),
3233                      std::back_inserter(PhiOpClasses), [&](const Use &U) {
3234                        const MemoryDef *MD = cast<MemoryDef>(U);
3235                        return ValueToClass.lookup(MD->getMemoryInst());
3236                      });
3237       assert(std::equal(PhiOpClasses.begin(), PhiOpClasses.end(),
3238                         PhiOpClasses.begin()) &&
3239              "All MemoryPhi arguments should be in the same class");
3240     }
3241   }
3242 #endif
3243 }
3244
3245 // Verify that the sparse propagation we did actually found the maximal fixpoint
3246 // We do this by storing the value to class mapping, touching all instructions,
3247 // and redoing the iteration to see if anything changed.
3248 void NewGVN::verifyIterationSettled(Function &F) {
3249 #ifndef NDEBUG
3250   DEBUG(dbgs() << "Beginning iteration verification\n");
3251   if (DebugCounter::isCounterSet(VNCounter))
3252     DebugCounter::setCounterValue(VNCounter, StartingVNCounter);
3253
3254   // Note that we have to store the actual classes, as we may change existing
3255   // classes during iteration.  This is because our memory iteration propagation
3256   // is not perfect, and so may waste a little work.  But it should generate
3257   // exactly the same congruence classes we have now, with different IDs.
3258   std::map<const Value *, CongruenceClass> BeforeIteration;
3259
3260   for (auto &KV : ValueToClass) {
3261     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(KV.first))
3262       // Skip unused/dead instructions.
3263       if (InstrToDFSNum(I) == 0)
3264         continue;
3265     BeforeIteration.insert({KV.first, *KV.second});
3266   }
3267
3268   TouchedInstructions.set();
3269   TouchedInstructions.reset(0);
3270   iterateTouchedInstructions();
3271   DenseSet<std::pair<const CongruenceClass *, const CongruenceClass *>>
3272       EqualClasses;
3273   for (const auto &KV : ValueToClass) {
3274     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(KV.first))
3275       // Skip unused/dead instructions.
3276       if (InstrToDFSNum(I) == 0)
3277         continue;
3278     // We could sink these uses, but i think this adds a bit of clarity here as
3279     // to what we are comparing.
3280     auto *BeforeCC = &BeforeIteration.find(KV.first)->second;
3281     auto *AfterCC = KV.second;
3282     // Note that the classes can't change at this point, so we memoize the set
3283     // that are equal.
3284     if (!EqualClasses.count({BeforeCC, AfterCC})) {
3285       assert(BeforeCC->isEquivalentTo(AfterCC) &&
3286              "Value number changed after main loop completed!");
3287       EqualClasses.insert({BeforeCC, AfterCC});
3288     }
3289   }
3290 #endif
3291 }
3292
3293 // Verify that for each store expression in the expression to class mapping,
3294 // only the latest appears, and multiple ones do not appear.
3295 // Because loads do not use the stored value when doing equality with stores,
3296 // if we don't erase the old store expressions from the table, a load can find
3297 // a no-longer valid StoreExpression.
3298 void NewGVN::verifyStoreExpressions() const {
3299 #ifndef NDEBUG
3300   // This is the only use of this, and it's not worth defining a complicated
3301   // densemapinfo hash/equality function for it.
3302   std::set<
3303       std::pair<const Value *,
3304                 std::tuple<const Value *, const CongruenceClass *, Value *>>>
3305       StoreExpressionSet;
3306   for (const auto &KV : ExpressionToClass) {
3307     if (auto *SE = dyn_cast<StoreExpression>(KV.first)) {
3308       // Make sure a version that will conflict with loads is not already there
3309       auto Res = StoreExpressionSet.insert(
3310           {SE->getOperand(0), std::make_tuple(SE->getMemoryLeader(), KV.second,
3311                                               SE->getStoredValue())});
3312       bool Okay = Res.second;
3313       // It's okay to have the same expression already in there if it is
3314       // identical in nature.
3315       // This can happen when the leader of the stored value changes over time.
3316       if (!Okay)
3317         Okay = (std::get<1>(Res.first->second) == KV.second) &&
3318                (lookupOperandLeader(std::get<2>(Res.first->second)) ==
3319                 lookupOperandLeader(SE->getStoredValue()));
3320       assert(Okay && "Stored expression conflict exists in expression table");
3321       auto *ValueExpr = ValueToExpression.lookup(SE->getStoreInst());
3322       assert(ValueExpr && ValueExpr->equals(*SE) &&
3323              "StoreExpression in ExpressionToClass is not latest "
3324              "StoreExpression for value");
3325     }
3326   }
3327 #endif
3328 }
3329
3330 // This is the main value numbering loop, it iterates over the initial touched
3331 // instruction set, propagating value numbers, marking things touched, etc,
3332 // until the set of touched instructions is completely empty.
3333 void NewGVN::iterateTouchedInstructions() {
3334   unsigned int Iterations = 0;
3335   // Figure out where touchedinstructions starts
3336   int FirstInstr = TouchedInstructions.find_first();
3337   // Nothing set, nothing to iterate, just return.
3338   if (FirstInstr == -1)
3339     return;
3340   const BasicBlock *LastBlock = getBlockForValue(InstrFromDFSNum(FirstInstr));
3341   while (TouchedInstructions.any()) {
3342     ++Iterations;
3343     // Walk through all the instructions in all the blocks in RPO.
3344     // TODO: As we hit a new block, we should push and pop equalities into a
3345     // table lookupOperandLeader can use, to catch things PredicateInfo
3346     // might miss, like edge-only equivalences.
3347     for (unsigned InstrNum : TouchedInstructions.set_bits()) {
3348
3349       // This instruction was found to be dead. We don't bother looking
3350       // at it again.
3351       if (InstrNum == 0) {
3352         TouchedInstructions.reset(InstrNum);
3353         continue;
3354       }
3355
3356       Value *V = InstrFromDFSNum(InstrNum);
3357       const BasicBlock *CurrBlock = getBlockForValue(V);
3358
3359       // If we hit a new block, do reachability processing.
3360       if (CurrBlock != LastBlock) {
3361         LastBlock = CurrBlock;
3362         bool BlockReachable = ReachableBlocks.count(CurrBlock);
3363         const auto &CurrInstRange = BlockInstRange.lookup(CurrBlock);
3364
3365         // If it's not reachable, erase any touched instructions and move on.
3366         if (!BlockReachable) {
3367           TouchedInstructions.reset(CurrInstRange.first, CurrInstRange.second);
3368           DEBUG(dbgs() << "Skipping instructions in block "
3369                        << getBlockName(CurrBlock)
3370                        << " because it is unreachable\n");
3371           continue;
3372         }
3373         updateProcessedCount(CurrBlock);
3374       }
3375       // Reset after processing (because we may mark ourselves as touched when
3376       // we propagate equalities).
3377       TouchedInstructions.reset(InstrNum);
3378
3379       if (auto *MP = dyn_cast<MemoryPhi>(V)) {
3380         DEBUG(dbgs() << "Processing MemoryPhi " << *MP << "\n");
3381         valueNumberMemoryPhi(MP);
3382       } else if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(V)) {
3383         valueNumberInstruction(I);
3384       } else {
3385         llvm_unreachable("Should have been a MemoryPhi or Instruction");
3386       }
3387       updateProcessedCount(V);
3388     }
3389   }
3390   NumGVNMaxIterations = std::max(NumGVNMaxIterations.getValue(), Iterations);
3391 }
3392
3393 // This is the main transformation entry point.
3394 bool NewGVN::runGVN() {
3395   if (DebugCounter::isCounterSet(VNCounter))
3396     StartingVNCounter = DebugCounter::getCounterValue(VNCounter);
3397   bool Changed = false;
3398   NumFuncArgs = F.arg_size();
3399   MSSAWalker = MSSA->getWalker();
3400   SingletonDeadExpression = new (ExpressionAllocator) DeadExpression();
3401
3402   // Count number of instructions for sizing of hash tables, and come
3403   // up with a global dfs numbering for instructions.
3404   unsigned ICount = 1;
3405   // Add an empty instruction to account for the fact that we start at 1
3406   DFSToInstr.emplace_back(nullptr);
3407   // Note: We want ideal RPO traversal of the blocks, which is not quite the
3408   // same as dominator tree order, particularly with regard whether backedges
3409   // get visited first or second, given a block with multiple successors.
3410   // If we visit in the wrong order, we will end up performing N times as many
3411   // iterations.
3412   // The dominator tree does guarantee that, for a given dom tree node, it's
3413   // parent must occur before it in the RPO ordering. Thus, we only need to sort
3414   // the siblings.
3415   ReversePostOrderTraversal<Function *> RPOT(&F);
3416   unsigned Counter = 0;
3417   for (auto &B : RPOT) {
3418     auto *Node = DT->getNode(B);
3419     assert(Node && "RPO and Dominator tree should have same reachability");
3420     RPOOrdering[Node] = ++Counter;
3421   }
3422   // Sort dominator tree children arrays into RPO.
3423   for (auto &B : RPOT) {
3424     auto *Node = DT->getNode(B);
3425     if (Node->getChildren().size() > 1)
3426       std::sort(Node->begin(), Node->end(),
3427                 [&](const DomTreeNode *A, const DomTreeNode *B) {
3428                   return RPOOrdering[A] < RPOOrdering[B];
3429                 });
3430   }
3431
3432   // Now a standard depth first ordering of the domtree is equivalent to RPO.
3433   for (auto DTN : depth_first(DT->getRootNode())) {
3434     BasicBlock *B = DTN->getBlock();
3435     const auto &BlockRange = assignDFSNumbers(B, ICount);
3436     BlockInstRange.insert({B, BlockRange});
3437     ICount += BlockRange.second - BlockRange.first;
3438   }
3439   initializeCongruenceClasses(F);
3440
3441   TouchedInstructions.resize(ICount);
3442   // Ensure we don't end up resizing the expressionToClass map, as
3443   // that can be quite expensive. At most, we have one expression per
3444   // instruction.
3445   ExpressionToClass.reserve(ICount);
3446
3447   // Initialize the touched instructions to include the entry block.
3448   const auto &InstRange = BlockInstRange.lookup(&F.getEntryBlock());
3449   TouchedInstructions.set(InstRange.first, InstRange.second);
3450   DEBUG(dbgs() << "Block " << getBlockName(&F.getEntryBlock())
3451                << " marked reachable\n");
3452   ReachableBlocks.insert(&F.getEntryBlock());
3453
3454   iterateTouchedInstructions();
3455   verifyMemoryCongruency();
3456   verifyIterationSettled(F);
3457   verifyStoreExpressions();
3458
3459   Changed |= eliminateInstructions(F);
3460
3461   // Delete all instructions marked for deletion.
3462   for (Instruction *ToErase : InstructionsToErase) {
3463     if (!ToErase->use_empty())
3464       ToErase->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(ToErase->getType()));
3465
3466     if (ToErase->getParent())
3467       ToErase->eraseFromParent();
3468   }
3469
3470   // Delete all unreachable blocks.
3471   auto UnreachableBlockPred = [&](const BasicBlock &BB) {
3472     return !ReachableBlocks.count(&BB);
3473   };
3474
3475   for (auto &BB : make_filter_range(F, UnreachableBlockPred)) {
3476     DEBUG(dbgs() << "We believe block " << getBlockName(&BB)
3477                  << " is unreachable\n");
3478     deleteInstructionsInBlock(&BB);
3479     Changed = true;
3480   }
3481
3482   cleanupTables();
3483   return Changed;
3484 }
3485
3486 struct NewGVN::ValueDFS {
3487   int DFSIn = 0;
3488   int DFSOut = 0;
3489   int LocalNum = 0;
3490
3491   // Only one of Def and U will be set.
3492   // The bool in the Def tells us whether the Def is the stored value of a
3493   // store.
3494   PointerIntPair<Value *, 1, bool> Def;
3495   Use *U = nullptr;
3496
3497   bool operator<(const ValueDFS &Other) const {
3498     // It's not enough that any given field be less than - we have sets
3499     // of fields that need to be evaluated together to give a proper ordering.
3500     // For example, if you have;
3501     // DFS (1, 3)
3502     // Val 0
3503     // DFS (1, 2)
3504     // Val 50
3505     // We want the second to be less than the first, but if we just go field
3506     // by field, we will get to Val 0 < Val 50 and say the first is less than
3507     // the second. We only want it to be less than if the DFS orders are equal.
3508     //
3509     // Each LLVM instruction only produces one value, and thus the lowest-level
3510     // differentiator that really matters for the stack (and what we use as as a
3511     // replacement) is the local dfs number.
3512     // Everything else in the structure is instruction level, and only affects
3513     // the order in which we will replace operands of a given instruction.
3514     //
3515     // For a given instruction (IE things with equal dfsin, dfsout, localnum),
3516     // the order of replacement of uses does not matter.
3517     // IE given,
3518     //  a = 5
3519     //  b = a + a
3520     // When you hit b, you will have two valuedfs with the same dfsin, out, and
3521     // localnum.
3522     // The .val will be the same as well.
3523     // The .u's will be different.
3524     // You will replace both, and it does not matter what order you replace them
3525     // in (IE whether you replace operand 2, then operand 1, or operand 1, then
3526     // operand 2).
3527     // Similarly for the case of same dfsin, dfsout, localnum, but different
3528     // .val's
3529     //  a = 5
3530     //  b  = 6
3531     //  c = a + b
3532     // in c, we will a valuedfs for a, and one for b,with everything the same
3533     // but .val  and .u.
3534     // It does not matter what order we replace these operands in.
3535     // You will always end up with the same IR, and this is guaranteed.
3536     return std::tie(DFSIn, DFSOut, LocalNum, Def, U) <
3537            std::tie(Other.DFSIn, Other.DFSOut, Other.LocalNum, Other.Def,
3538                     Other.U);
3539   }
3540 };
3541
3542 // This function converts the set of members for a congruence class from values,
3543 // to sets of defs and uses with associated DFS info.  The total number of
3544 // reachable uses for each value is stored in UseCount, and instructions that
3545 // seem
3546 // dead (have no non-dead uses) are stored in ProbablyDead.
3547 void NewGVN::convertClassToDFSOrdered(
3548     const CongruenceClass &Dense, SmallVectorImpl<ValueDFS> &DFSOrderedSet,
3549     DenseMap<const Value *, unsigned int> &UseCounts,
3550     SmallPtrSetImpl<Instruction *> &ProbablyDead) const {
3551   for (auto D : Dense) {
3552     // First add the value.
3553     BasicBlock *BB = getBlockForValue(D);
3554     // Constants are handled prior to ever calling this function, so
3555     // we should only be left with instructions as members.
3556     assert(BB && "Should have figured out a basic block for value");
3557     ValueDFS VDDef;
3558     DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(BB);
3559     VDDef.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3560     VDDef.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3561     // If it's a store, use the leader of the value operand, if it's always
3562     // available, or the value operand.  TODO: We could do dominance checks to
3563     // find a dominating leader, but not worth it ATM.
3564     if (auto *SI = dyn_cast<StoreInst>(D)) {
3565       auto Leader = lookupOperandLeader(SI->getValueOperand());
3566       if (alwaysAvailable(Leader)) {
3567         VDDef.Def.setPointer(Leader);
3568       } else {
3569         VDDef.Def.setPointer(SI->getValueOperand());
3570         VDDef.Def.setInt(true);
3571       }
3572     } else {
3573       VDDef.Def.setPointer(D);
3574     }
3575     assert(isa<Instruction>(D) &&
3576            "The dense set member should always be an instruction");
3577     Instruction *Def = cast<Instruction>(D);
3578     VDDef.LocalNum = InstrToDFSNum(D);
3579     DFSOrderedSet.push_back(VDDef);
3580     // If there is a phi node equivalent, add it
3581     if (auto *PN = RealToTemp.lookup(Def)) {
3582       auto *PHIE =
3583           dyn_cast_or_null<PHIExpression>(ValueToExpression.lookup(Def));
3584       if (PHIE) {
3585         VDDef.Def.setInt(false);
3586         VDDef.Def.setPointer(PN);
3587         VDDef.LocalNum = 0;
3588         DFSOrderedSet.push_back(VDDef);
3589       }
3590     }
3591
3592     unsigned int UseCount = 0;
3593     // Now add the uses.
3594     for (auto &U : Def->uses()) {
3595       if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(U.getUser())) {
3596         // Don't try to replace into dead uses
3597         if (InstructionsToErase.count(I))
3598           continue;
3599         ValueDFS VDUse;
3600         // Put the phi node uses in the incoming block.
3601         BasicBlock *IBlock;
3602         if (auto *P = dyn_cast<PHINode>(I)) {
3603           IBlock = P->getIncomingBlock(U);
3604           // Make phi node users appear last in the incoming block
3605           // they are from.
3606           VDUse.LocalNum = InstrDFS.size() + 1;
3607         } else {
3608           IBlock = getBlockForValue(I);
3609           VDUse.LocalNum = InstrToDFSNum(I);
3610         }
3611
3612         // Skip uses in unreachable blocks, as we're going
3613         // to delete them.
3614         if (ReachableBlocks.count(IBlock) == 0)
3615           continue;
3616
3617         DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(IBlock);
3618         VDUse.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3619         VDUse.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3620         VDUse.U = &U;
3621         ++UseCount;
3622         DFSOrderedSet.emplace_back(VDUse);
3623       }
3624     }
3625
3626     // If there are no uses, it's probably dead (but it may have side-effects,
3627     // so not definitely dead. Otherwise, store the number of uses so we can
3628     // track if it becomes dead later).
3629     if (UseCount == 0)
3630       ProbablyDead.insert(Def);
3631     else
3632       UseCounts[Def] = UseCount;
3633   }
3634 }
3635
3636 // This function converts the set of members for a congruence class from values,
3637 // to the set of defs for loads and stores, with associated DFS info.
3638 void NewGVN::convertClassToLoadsAndStores(
3639     const CongruenceClass &Dense,
3640     SmallVectorImpl<ValueDFS> &LoadsAndStores) const {
3641   for (auto D : Dense) {
3642     if (!isa<LoadInst>(D) && !isa<StoreInst>(D))
3643       continue;
3644
3645     BasicBlock *BB = getBlockForValue(D);
3646     ValueDFS VD;
3647     DomTreeNode *DomNode = DT->getNode(BB);
3648     VD.DFSIn = DomNode->getDFSNumIn();
3649     VD.DFSOut = DomNode->getDFSNumOut();
3650     VD.Def.setPointer(D);
3651
3652     // If it's an instruction, use the real local dfs number.
3653     if (auto *I = dyn_cast<Instruction>(D))
3654       VD.LocalNum = InstrToDFSNum(I);
3655     else
3656       llvm_unreachable("Should have been an instruction");
3657
3658     LoadsAndStores.emplace_back(VD);
3659   }
3660 }
3661
3662 static void patchReplacementInstruction(Instruction *I, Value *Repl) {
3663   auto *ReplInst = dyn_cast<Instruction>(Repl);
3664   if (!ReplInst)
3665     return;
3666
3667   // Patch the replacement so that it is not more restrictive than the value
3668   // being replaced.
3669   // Note that if 'I' is a load being replaced by some operation,
3670   // for example, by an arithmetic operation, then andIRFlags()
3671   // would just erase all math flags from the original arithmetic
3672   // operation, which is clearly not wanted and not needed.
3673   if (!isa<LoadInst>(I))
3674     ReplInst->andIRFlags(I);
3675
3676   // FIXME: If both the original and replacement value are part of the
3677   // same control-flow region (meaning that the execution of one
3678   // guarantees the execution of the other), then we can combine the
3679   // noalias scopes here and do better than the general conservative
3680   // answer used in combineMetadata().
3681
3682   // In general, GVN unifies expressions over different control-flow
3683   // regions, and so we need a conservative combination of the noalias
3684   // scopes.
3685   static const unsigned KnownIDs[] = {
3686       LLVMContext::MD_tbaa,           LLVMContext::MD_alias_scope,
3687       LLVMContext::MD_noalias,        LLVMContext::MD_range,
3688       LLVMContext::MD_fpmath,         LLVMContext::MD_invariant_load,
3689       LLVMContext::MD_invariant_group};
3690   combineMetadata(ReplInst, I, KnownIDs);
3691 }
3692
3693 static void patchAndReplaceAllUsesWith(Instruction *I, Value *Repl) {
3694   patchReplacementInstruction(I, Repl);
3695   I->replaceAllUsesWith(Repl);
3696 }
3697
3698 void NewGVN::deleteInstructionsInBlock(BasicBlock *BB) {
3699   DEBUG(dbgs() << "  BasicBlock Dead:" << *BB);
3700   ++NumGVNBlocksDeleted;
3701
3702   // Delete the instructions backwards, as it has a reduced likelihood of having
3703   // to update as many def-use and use-def chains. Start after the terminator.
3704   auto StartPoint = BB->rbegin();
3705   ++StartPoint;
3706   // Note that we explicitly recalculate BB->rend() on each iteration,
3707   // as it may change when we remove the first instruction.
3708   for (BasicBlock::reverse_iterator I(StartPoint); I != BB->rend();) {
3709     Instruction &Inst = *I++;
3710     if (!Inst.use_empty())
3711       Inst.replaceAllUsesWith(UndefValue::get(Inst.getType()));
3712     if (isa<LandingPadInst>(Inst))
3713       continue;
3714
3715     Inst.eraseFromParent();
3716     ++NumGVNInstrDeleted;
3717   }
3718   // Now insert something that simplifycfg will turn into an unreachable.
3719   Type *Int8Ty = Type::getInt8Ty(BB->getContext());
3720   new StoreInst(UndefValue::get(Int8Ty),
3721                 Constant::getNullValue(Int8Ty->getPointerTo()),
3722                 BB->getTerminator());
3723 }
3724
3725 void NewGVN::markInstructionForDeletion(Instruction *I) {
3726   DEBUG(dbgs() << "Marking " << *I << " for deletion\n");
3727   InstructionsToErase.insert(I);
3728 }
3729
3730 void NewGVN::replaceInstruction(Instruction *I, Value *V) {
3731   DEBUG(dbgs() << "Replacing " << *I << " with " << *V << "\n");
3732   patchAndReplaceAllUsesWith(I, V);
3733   // We save the actual erasing to avoid invalidating memory
3734   // dependencies until we are done with everything.
3735   markInstructionForDeletion(I);
3736 }
3737
3738 namespace {
3739
3740 // This is a stack that contains both the value and dfs info of where
3741 // that value is valid.
3742 class ValueDFSStack {
3743 public:
3744   Value *back() const { return ValueStack.back(); }
3745   std::pair<int, int> dfs_back() const { return DFSStack.back(); }
3746
3747   void push_back(Value *V, int DFSIn, int DFSOut) {
3748     ValueStack.emplace_back(V);
3749     DFSStack.emplace_back(DFSIn, DFSOut);
3750   }
3751
3752   bool empty() const { return DFSStack.empty(); }
3753
3754   bool isInScope(int DFSIn, int DFSOut) const {
3755     if (empty())
3756       return false;
3757     return DFSIn >= DFSStack.back().first && DFSOut <= DFSStack.back().second;
3758   }
3759
3760   void popUntilDFSScope(int DFSIn, int DFSOut) {
3761
3762     // These two should always be in sync at this point.
3763     assert(ValueStack.size() == DFSStack.size() &&
3764            "Mismatch between ValueStack and DFSStack");
3765     while (
3766         !DFSStack.empty() &&
3767         !(DFSIn >= DFSStack.back().first && DFSOut <= DFSStack.back().second)) {
3768       DFSStack.pop_back();
3769       ValueStack.pop_back();
3770     }
3771   }
3772
3773 private:
3774   SmallVector<Value *, 8> ValueStack;
3775   SmallVector<std::pair<int, int>, 8> DFSStack;
3776 };
3777
3778 } // end anonymous namespace
3779
3780 // Given an expression, get the congruence class for it.
3781 CongruenceClass *NewGVN::getClassForExpression(const Expression *E) const {
3782   if (auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E))
3783     return ValueToClass.lookup(VE->getVariableValue());
3784   else if (isa<DeadExpression>(E))
3785     return TOPClass;
3786   return ExpressionToClass.lookup(E);
3787 }
3788
3789 // Given a value and a basic block we are trying to see if it is available in,
3790 // see if the value has a leader available in that block.
3791 Value *NewGVN::findPHIOfOpsLeader(const Expression *E,
3792                                   const Instruction *OrigInst,
3793                                   const BasicBlock *BB) const {
3794   // It would already be constant if we could make it constant
3795   if (auto *CE = dyn_cast<ConstantExpression>(E))
3796     return CE->getConstantValue();
3797   if (auto *VE = dyn_cast<VariableExpression>(E)) {
3798     auto *V = VE->getVariableValue();
3799     if (alwaysAvailable(V) || DT->dominates(getBlockForValue(V), BB))
3800       return VE->getVariableValue();
3801   }
3802
3803   auto *CC = getClassForExpression(E);
3804   if (!CC)
3805     return nullptr;
3806   if (alwaysAvailable(CC->getLeader()))
3807     return CC->getLeader();
3808
3809   for (auto Member : *CC) {
3810     auto *MemberInst = dyn_cast<Instruction>(Member);
3811     if (MemberInst == OrigInst)
3812       continue;
3813     // Anything that isn't an instruction is always available.
3814     if (!MemberInst)
3815       return Member;
3816     if (DT->dominates(getBlockForValue(MemberInst), BB))
3817       return Member;
3818   }
3819   return nullptr;
3820 }
3821
3822 bool NewGVN::eliminateInstructions(Function &F) {
3823   // This is a non-standard eliminator. The normal way to eliminate is
3824   // to walk the dominator tree in order, keeping track of available
3825   // values, and eliminating them.  However, this is mildly
3826   // pointless. It requires doing lookups on every instruction,
3827   // regardless of whether we will ever eliminate it.  For
3828   // instructions part of most singleton congruence classes, we know we
3829   // will never eliminate them.
3830
3831   // Instead, this eliminator looks at the congruence classes directly, sorts
3832   // them into a DFS ordering of the dominator tree, and then we just
3833   // perform elimination straight on the sets by walking the congruence
3834   // class member uses in order, and eliminate the ones dominated by the
3835   // last member.   This is worst case O(E log E) where E = number of
3836   // instructions in a single congruence class.  In theory, this is all
3837   // instructions.   In practice, it is much faster, as most instructions are
3838   // either in singleton congruence classes or can't possibly be eliminated
3839   // anyway (if there are no overlapping DFS ranges in class).
3840   // When we find something not dominated, it becomes the new leader
3841   // for elimination purposes.
3842   // TODO: If we wanted to be faster, We could remove any members with no
3843   // overlapping ranges while sorting, as we will never eliminate anything
3844   // with those members, as they don't dominate anything else in our set.
3845
3846   bool AnythingReplaced = false;
3847
3848   // Since we are going to walk the domtree anyway, and we can't guarantee the
3849   // DFS numbers are updated, we compute some ourselves.
3850   DT->updateDFSNumbers();
3851
3852   // Go through all of our phi nodes, and kill the arguments associated with
3853   // unreachable edges.
3854   auto ReplaceUnreachablePHIArgs = [&](PHINode *PHI, BasicBlock *BB) {
3855     for (auto &Operand : PHI->incoming_values())
3856       if (!ReachableEdges.count({PHI->getIncomingBlock(Operand), BB})) {
3857         DEBUG(dbgs() << "Replacing incoming value of " << PHI << " for block "
3858                      << getBlockName(PHI->getIncomingBlock(Operand))
3859                      << " with undef due to it being unreachable\n");
3860         Operand.set(UndefValue::get(PHI->getType()));
3861       }
3862   };
3863   // Replace unreachable phi arguments.
3864   // At this point, RevisitOnReachabilityChange only contains:
3865   //
3866   // 1. PHIs
3867   // 2. Temporaries that will convert to PHIs
3868   // 3. Operations that are affected by an unreachable edge but do not fit into
3869   // 1 or 2 (rare).
3870   // So it is a slight overshoot of what we want. We could make it exact by
3871   // using two SparseBitVectors per block.
3872   DenseMap<const BasicBlock *, unsigned> ReachablePredCount;
3873   for (auto &KV : ReachableEdges)
3874     ReachablePredCount[KV.getEnd()]++;
3875   for (auto &BBPair : RevisitOnReachabilityChange) {
3876     for (auto InstNum : BBPair.second) {
3877       auto *Inst = InstrFromDFSNum(InstNum);
3878       auto *PHI = dyn_cast<PHINode>(Inst);
3879       PHI = PHI ? PHI : dyn_cast_or_null<PHINode>(RealToTemp.lookup(Inst));
3880       if (!PHI)
3881         continue;
3882       auto *BB = BBPair.first;
3883       if (ReachablePredCount.lookup(BB) != PHI->getNumIncomingValues())
3884         ReplaceUnreachablePHIArgs(PHI, BB);
3885     }
3886   }
3887
3888   // Map to store the use counts
3889   DenseMap<const Value *, unsigned int> UseCounts;
3890   for (auto *CC : reverse(CongruenceClasses)) {
3891     DEBUG(dbgs() << "Eliminating in congruence class " << CC->getID() << "\n");
3892     // Track the equivalent store info so we can decide whether to try
3893     // dead store elimination.
3894     SmallVector<ValueDFS, 8> PossibleDeadStores;
3895     SmallPtrSet<Instruction *, 8> ProbablyDead;
3896     if (CC->isDead() || CC->empty())
3897       continue;
3898     // Everything still in the TOP class is unreachable or dead.
3899     if (CC == TOPClass) {
3900       for (auto M : *CC) {
3901         auto *VTE = ValueToExpression.lookup(M);
3902         if (VTE && isa<DeadExpression>(VTE))
3903           markInstructionForDeletion(cast<Instruction>(M));
3904         assert((!ReachableBlocks.count(cast<Instruction>(M)->getParent()) ||
3905                 InstructionsToErase.count(cast<Instruction>(M))) &&
3906                "Everything in TOP should be unreachable or dead at this "
3907                "point");
3908       }
3909       continue;
3910     }
3911
3912     assert(CC->getLeader() && "We should have had a leader");
3913     // If this is a leader that is always available, and it's a
3914     // constant or has no equivalences, just replace everything with
3915     // it. We then update the congruence class with whatever members
3916     // are left.
3917     Value *Leader =
3918         CC->getStoredValue() ? CC->getStoredValue() : CC->getLeader();
3919     if (alwaysAvailable(Leader)) {
3920       CongruenceClass::MemberSet MembersLeft;
3921       for (auto M : *CC) {
3922         Value *Member = M;
3923         // Void things have no uses we can replace.
3924         if (Member == Leader || !isa<Instruction>(Member) ||
3925             Member->getType()->isVoidTy()) {
3926           MembersLeft.insert(Member);
3927           continue;
3928         }
3929         DEBUG(dbgs() << "Found replacement " << *(Leader) << " for " << *Member
3930                      << "\n");
3931         auto *I = cast<Instruction>(Member);
3932         assert(Leader != I && "About to accidentally remove our leader");
3933         replaceInstruction(I, Leader);
3934         AnythingReplaced = true;
3935       }
3936       CC->swap(MembersLeft);
3937     } else {
3938       // If this is a singleton, we can skip it.
3939       if (CC->size() != 1 || RealToTemp.count(Leader)) {
3940         // This is a stack because equality replacement/etc may place
3941         // constants in the middle of the member list, and we want to use
3942         // those constant values in preference to the current leader, over
3943         // the scope of those constants.
3944         ValueDFSStack EliminationStack;
3945
3946         // Convert the members to DFS ordered sets and then merge them.
3947         SmallVector<ValueDFS, 8> DFSOrderedSet;
3948         convertClassToDFSOrdered(*CC, DFSOrderedSet, UseCounts, ProbablyDead);
3949
3950         // Sort the whole thing.
3951         std::sort(DFSOrderedSet.begin(), DFSOrderedSet.end());
3952         for (auto &VD : DFSOrderedSet) {
3953           int MemberDFSIn = VD.DFSIn;
3954           int MemberDFSOut = VD.DFSOut;
3955           Value *Def = VD.Def.getPointer();
3956           bool FromStore = VD.Def.getInt();
3957           Use *U = VD.U;
3958           // We ignore void things because we can't get a value from them.
3959           if (Def && Def->getType()->isVoidTy())
3960             continue;
3961           auto *DefInst = dyn_cast_or_null<Instruction>(Def);
3962           if (DefInst && AllTempInstructions.count(DefInst)) {
3963             auto *PN = cast<PHINode>(DefInst);
3964
3965             // If this is a value phi and that's the expression we used, insert
3966             // it into the program
3967             // remove from temp instruction list.
3968             AllTempInstructions.erase(PN);
3969             auto *DefBlock = getBlockForValue(Def);
3970             DEBUG(dbgs() << "Inserting fully real phi of ops" << *Def
3971                          << " into block "
3972                          << getBlockName(getBlockForValue(Def)) << "\n");
3973             PN->insertBefore(&DefBlock->front());
3974             Def = PN;
3975             NumGVNPHIOfOpsEliminations++;
3976           }
3977
3978           if (EliminationStack.empty()) {
3979             DEBUG(dbgs() << "Elimination Stack is empty\n");
3980           } else {
3981             DEBUG(dbgs() << "Elimination Stack Top DFS numbers are ("
3982                          << EliminationStack.dfs_back().first << ","
3983                          << EliminationStack.dfs_back().second << ")\n");
3984           }
3985
3986           DEBUG(dbgs() << "Current DFS numbers are (" << MemberDFSIn << ","
3987                        << MemberDFSOut << ")\n");
3988           // First, we see if we are out of scope or empty.  If so,
3989           // and there equivalences, we try to replace the top of
3990           // stack with equivalences (if it's on the stack, it must
3991           // not have been eliminated yet).
3992           // Then we synchronize to our current scope, by
3993           // popping until we are back within a DFS scope that
3994           // dominates the current member.
3995           // Then, what happens depends on a few factors
3996           // If the stack is now empty, we need to push
3997           // If we have a constant or a local equivalence we want to
3998           // start using, we also push.
3999           // Otherwise, we walk along, processing members who are
4000           // dominated by this scope, and eliminate them.
4001           bool ShouldPush = Def && EliminationStack.empty();
4002           bool OutOfScope =
4003               !EliminationStack.isInScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4004
4005           if (OutOfScope || ShouldPush) {
4006             // Sync to our current scope.
4007             EliminationStack.popUntilDFSScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4008             bool ShouldPush = Def && EliminationStack.empty();
4009             if (ShouldPush) {
4010               EliminationStack.push_back(Def, MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4011             }
4012           }
4013
4014           // Skip the Def's, we only want to eliminate on their uses.  But mark
4015           // dominated defs as dead.
4016           if (Def) {
4017             // For anything in this case, what and how we value number
4018             // guarantees that any side-effets that would have occurred (ie
4019             // throwing, etc) can be proven to either still occur (because it's
4020             // dominated by something that has the same side-effects), or never
4021             // occur.  Otherwise, we would not have been able to prove it value
4022             // equivalent to something else. For these things, we can just mark
4023             // it all dead.  Note that this is different from the "ProbablyDead"
4024             // set, which may not be dominated by anything, and thus, are only
4025             // easy to prove dead if they are also side-effect free. Note that
4026             // because stores are put in terms of the stored value, we skip
4027             // stored values here. If the stored value is really dead, it will
4028             // still be marked for deletion when we process it in its own class.
4029             if (!EliminationStack.empty() && Def != EliminationStack.back() &&
4030                 isa<Instruction>(Def) && !FromStore)
4031               markInstructionForDeletion(cast<Instruction>(Def));
4032             continue;
4033           }
4034           // At this point, we know it is a Use we are trying to possibly
4035           // replace.
4036
4037           assert(isa<Instruction>(U->get()) &&
4038                  "Current def should have been an instruction");
4039           assert(isa<Instruction>(U->getUser()) &&
4040                  "Current user should have been an instruction");
4041
4042           // If the thing we are replacing into is already marked to be dead,
4043           // this use is dead.  Note that this is true regardless of whether
4044           // we have anything dominating the use or not.  We do this here
4045           // because we are already walking all the uses anyway.
4046           Instruction *InstUse = cast<Instruction>(U->getUser());
4047           if (InstructionsToErase.count(InstUse)) {
4048             auto &UseCount = UseCounts[U->get()];
4049             if (--UseCount == 0) {
4050               ProbablyDead.insert(cast<Instruction>(U->get()));
4051             }
4052           }
4053
4054           // If we get to this point, and the stack is empty we must have a use
4055           // with nothing we can use to eliminate this use, so just skip it.
4056           if (EliminationStack.empty())
4057             continue;
4058
4059           Value *DominatingLeader = EliminationStack.back();
4060
4061           auto *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(DominatingLeader);
4062           bool isSSACopy = II && II->getIntrinsicID() == Intrinsic::ssa_copy;
4063           if (isSSACopy)
4064             DominatingLeader = II->getOperand(0);
4065
4066           // Don't replace our existing users with ourselves.
4067           if (U->get() == DominatingLeader)
4068             continue;
4069           DEBUG(dbgs() << "Found replacement " << *DominatingLeader << " for "
4070                        << *U->get() << " in " << *(U->getUser()) << "\n");
4071
4072           // If we replaced something in an instruction, handle the patching of
4073           // metadata.  Skip this if we are replacing predicateinfo with its
4074           // original operand, as we already know we can just drop it.
4075           auto *ReplacedInst = cast<Instruction>(U->get());
4076           auto *PI = PredInfo->getPredicateInfoFor(ReplacedInst);
4077           if (!PI || DominatingLeader != PI->OriginalOp)
4078             patchReplacementInstruction(ReplacedInst, DominatingLeader);
4079           U->set(DominatingLeader);
4080           // This is now a use of the dominating leader, which means if the
4081           // dominating leader was dead, it's now live!
4082           auto &LeaderUseCount = UseCounts[DominatingLeader];
4083           // It's about to be alive again.
4084           if (LeaderUseCount == 0 && isa<Instruction>(DominatingLeader))
4085             ProbablyDead.erase(cast<Instruction>(DominatingLeader));
4086           // Copy instructions, however, are still dead beacuse we use their
4087           // operand as the leader.
4088           if (LeaderUseCount == 0 && isSSACopy)
4089             ProbablyDead.insert(II);
4090           ++LeaderUseCount;
4091           AnythingReplaced = true;
4092         }
4093       }
4094     }
4095
4096     // At this point, anything still in the ProbablyDead set is actually dead if
4097     // would be trivially dead.
4098     for (auto *I : ProbablyDead)
4099       if (wouldInstructionBeTriviallyDead(I))
4100         markInstructionForDeletion(I);
4101
4102     // Cleanup the congruence class.
4103     CongruenceClass::MemberSet MembersLeft;
4104     for (auto *Member : *CC)
4105       if (!isa<Instruction>(Member) ||
4106           !InstructionsToErase.count(cast<Instruction>(Member)))
4107         MembersLeft.insert(Member);
4108     CC->swap(MembersLeft);
4109
4110     // If we have possible dead stores to look at, try to eliminate them.
4111     if (CC->getStoreCount() > 0) {
4112       convertClassToLoadsAndStores(*CC, PossibleDeadStores);
4113       std::sort(PossibleDeadStores.begin(), PossibleDeadStores.end());
4114       ValueDFSStack EliminationStack;
4115       for (auto &VD : PossibleDeadStores) {
4116         int MemberDFSIn = VD.DFSIn;
4117         int MemberDFSOut = VD.DFSOut;
4118         Instruction *Member = cast<Instruction>(VD.Def.getPointer());
4119         if (EliminationStack.empty() ||
4120             !EliminationStack.isInScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut)) {
4121           // Sync to our current scope.
4122           EliminationStack.popUntilDFSScope(MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4123           if (EliminationStack.empty()) {
4124             EliminationStack.push_back(Member, MemberDFSIn, MemberDFSOut);
4125             continue;
4126           }
4127         }
4128         // We already did load elimination, so nothing to do here.
4129         if (isa<LoadInst>(Member))
4130           continue;
4131         assert(!EliminationStack.empty());
4132         Instruction *Leader = cast<Instruction>(EliminationStack.back());
4133         (void)Leader;
4134         assert(DT->dominates(Leader->getParent(), Member->getParent()));
4135         // Member is dominater by Leader, and thus dead
4136         DEBUG(dbgs() << "Marking dead store " << *Member
4137                      << " that is dominated by " << *Leader << "\n");
4138         markInstructionForDeletion(Member);
4139         CC->erase(Member);
4140         ++NumGVNDeadStores;
4141       }
4142     }
4143   }
4144   return AnythingReplaced;
4145 }
4146
4147 // This function provides global ranking of operations so that we can place them
4148 // in a canonical order.  Note that rank alone is not necessarily enough for a
4149 // complete ordering, as constants all have the same rank.  However, generally,
4150 // we will simplify an operation with all constants so that it doesn't matter
4151 // what order they appear in.
4152 unsigned int NewGVN::getRank(const Value *V) const {
4153   // Prefer constants to undef to anything else
4154   // Undef is a constant, have to check it first.
4155   // Prefer smaller constants to constantexprs
4156   if (isa<ConstantExpr>(V))
4157     return 2;
4158   if (isa<UndefValue>(V))
4159     return 1;
4160   if (isa<Constant>(V))
4161     return 0;
4162   else if (auto *A = dyn_cast<Argument>(V))
4163     return 3 + A->getArgNo();
4164
4165   // Need to shift the instruction DFS by number of arguments + 3 to account for
4166   // the constant and argument ranking above.
4167   unsigned Result = InstrToDFSNum(V);
4168   if (Result > 0)
4169     return 4 + NumFuncArgs + Result;
4170   // Unreachable or something else, just return a really large number.
4171   return ~0;
4172 }
4173
4174 // This is a function that says whether two commutative operations should
4175 // have their order swapped when canonicalizing.
4176 bool NewGVN::shouldSwapOperands(const Value *A, const Value *B) const {
4177   // Because we only care about a total ordering, and don't rewrite expressions
4178   // in this order, we order by rank, which will give a strict weak ordering to
4179   // everything but constants, and then we order by pointer address.
4180   return std::make_pair(getRank(A), A) > std::make_pair(getRank(B), B);
4181 }
4182
4183 namespace {
4184
4185 class NewGVNLegacyPass : public FunctionPass {
4186 public:
4187   // Pass identification, replacement for typeid.
4188   static char ID;
4189
4190   NewGVNLegacyPass() : FunctionPass(ID) {
4191     initializeNewGVNLegacyPassPass(*PassRegistry::getPassRegistry());
4192   }
4193
4194   bool runOnFunction(Function &F) override;
4195
4196 private:
4197   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
4198     AU.addRequired<AssumptionCacheTracker>();
4199     AU.addRequired<DominatorTreeWrapperPass>();
4200     AU.addRequired<TargetLibraryInfoWrapperPass>();
4201     AU.addRequired<MemorySSAWrapperPass>();
4202     AU.addRequired<AAResultsWrapperPass>();
4203     AU.addPreserved<DominatorTreeWrapperPass>();
4204     AU.addPreserved<GlobalsAAWrapperPass>();
4205   }
4206 };
4207
4208 } // end anonymous namespace
4209
4210 bool NewGVNLegacyPass::runOnFunction(Function &F) {
4211   if (skipFunction(F))
4212     return false;
4213   return NewGVN(F, &getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree(),
4214                 &getAnalysis<AssumptionCacheTracker>().getAssumptionCache(F),
4215                 &getAnalysis<TargetLibraryInfoWrapperPass>().getTLI(),
4216                 &getAnalysis<AAResultsWrapperPass>().getAAResults(),
4217                 &getAnalysis<MemorySSAWrapperPass>().getMSSA(),
4218                 F.getParent()->getDataLayout())
4219       .runGVN();
4220 }
4221
4222 char NewGVNLegacyPass::ID = 0;
4223
4224 INITIALIZE_PASS_BEGIN(NewGVNLegacyPass, "newgvn", "Global Value Numbering",
4225                       false, false)
4226 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AssumptionCacheTracker)
4227 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(MemorySSAWrapperPass)
4228 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(DominatorTreeWrapperPass)
4229 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(TargetLibraryInfoWrapperPass)
4230 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(AAResultsWrapperPass)
4231 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(GlobalsAAWrapperPass)
4232 INITIALIZE_PASS_END(NewGVNLegacyPass, "newgvn", "Global Value Numbering", false,
4233                     false)
4234
4235 // createGVNPass - The public interface to this file.
4236 FunctionPass *llvm::createNewGVNPass() { return new NewGVNLegacyPass(); }
4237
4238 PreservedAnalyses NewGVNPass::run(Function &F, AnalysisManager<Function> &AM) {
4239   // Apparently the order in which we get these results matter for
4240   // the old GVN (see Chandler's comment in GVN.cpp). I'll keep
4241   // the same order here, just in case.
4242   auto &AC = AM.getResult<AssumptionAnalysis>(F);
4243   auto &DT = AM.getResult<DominatorTreeAnalysis>(F);
4244   auto &TLI = AM.getResult<TargetLibraryAnalysis>(F);
4245   auto &AA = AM.getResult<AAManager>(F);
4246   auto &MSSA = AM.getResult<MemorySSAAnalysis>(F).getMSSA();
4247   bool Changed =
4248       NewGVN(F, &DT, &AC, &TLI, &AA, &MSSA, F.getParent()->getDataLayout())
4249           .runGVN();
4250   if (!Changed)
4251     return PreservedAnalyses::all();
4252   PreservedAnalyses PA;
4253   PA.preserve<DominatorTreeAnalysis>();
4254   PA.preserve<GlobalsAA>();
4255   return PA;
4256 }