OSDN Git Service

am 1f3d12be: am b5eb99b8: am 37a6adeb: Merge "Update to LLVM 3.5a."
[android-x86/external-llvm.git] / lib / Transforms / Scalar / Reassociate.cpp
1 //===- Reassociate.cpp - Reassociate binary expressions -------------------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This pass reassociates commutative expressions in an order that is designed
11 // to promote better constant propagation, GCSE, LICM, PRE, etc.
12 //
13 // For example: 4 + (x + 5) -> x + (4 + 5)
14 //
15 // In the implementation of this algorithm, constants are assigned rank = 0,
16 // function arguments are rank = 1, and other values are assigned ranks
17 // corresponding to the reverse post order traversal of current function
18 // (starting at 2), which effectively gives values in deep loops higher rank
19 // than values not in loops.
20 //
21 //===----------------------------------------------------------------------===//
22
23 #define DEBUG_TYPE "reassociate"
24 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
25 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
26 #include "llvm/ADT/PostOrderIterator.h"
27 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
28 #include "llvm/ADT/SetVector.h"
29 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
30 #include "llvm/IR/CFG.h"
31 #include "llvm/IR/Constants.h"
32 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
33 #include "llvm/IR/Function.h"
34 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
35 #include "llvm/IR/Instructions.h"
36 #include "llvm/IR/IntrinsicInst.h"
37 #include "llvm/IR/ValueHandle.h"
38 #include "llvm/Pass.h"
39 #include "llvm/Support/Debug.h"
40 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
41 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
42 #include <algorithm>
43 using namespace llvm;
44
45 STATISTIC(NumChanged, "Number of insts reassociated");
46 STATISTIC(NumAnnihil, "Number of expr tree annihilated");
47 STATISTIC(NumFactor , "Number of multiplies factored");
48
49 namespace {
50   struct ValueEntry {
51     unsigned Rank;
52     Value *Op;
53     ValueEntry(unsigned R, Value *O) : Rank(R), Op(O) {}
54   };
55   inline bool operator<(const ValueEntry &LHS, const ValueEntry &RHS) {
56     return LHS.Rank > RHS.Rank;   // Sort so that highest rank goes to start.
57   }
58 }
59
60 #ifndef NDEBUG
61 /// PrintOps - Print out the expression identified in the Ops list.
62 ///
63 static void PrintOps(Instruction *I, const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
64   Module *M = I->getParent()->getParent()->getParent();
65   dbgs() << Instruction::getOpcodeName(I->getOpcode()) << " "
66        << *Ops[0].Op->getType() << '\t';
67   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
68     dbgs() << "[ ";
69     Ops[i].Op->printAsOperand(dbgs(), false, M);
70     dbgs() << ", #" << Ops[i].Rank << "] ";
71   }
72 }
73 #endif
74
75 namespace {
76   /// \brief Utility class representing a base and exponent pair which form one
77   /// factor of some product.
78   struct Factor {
79     Value *Base;
80     unsigned Power;
81
82     Factor(Value *Base, unsigned Power) : Base(Base), Power(Power) {}
83
84     /// \brief Sort factors by their Base.
85     struct BaseSorter {
86       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
87         return LHS.Base < RHS.Base;
88       }
89     };
90
91     /// \brief Compare factors for equal bases.
92     struct BaseEqual {
93       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
94         return LHS.Base == RHS.Base;
95       }
96     };
97
98     /// \brief Sort factors in descending order by their power.
99     struct PowerDescendingSorter {
100       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
101         return LHS.Power > RHS.Power;
102       }
103     };
104
105     /// \brief Compare factors for equal powers.
106     struct PowerEqual {
107       bool operator()(const Factor &LHS, const Factor &RHS) {
108         return LHS.Power == RHS.Power;
109       }
110     };
111   };
112   
113   /// Utility class representing a non-constant Xor-operand. We classify
114   /// non-constant Xor-Operands into two categories:
115   ///  C1) The operand is in the form "X & C", where C is a constant and C != ~0
116   ///  C2)
117   ///    C2.1) The operand is in the form of "X | C", where C is a non-zero
118   ///          constant.
119   ///    C2.2) Any operand E which doesn't fall into C1 and C2.1, we view this
120   ///          operand as "E | 0"
121   class XorOpnd {
122   public:
123     XorOpnd(Value *V);
124
125     bool isInvalid() const { return SymbolicPart == 0; }
126     bool isOrExpr() const { return isOr; }
127     Value *getValue() const { return OrigVal; }
128     Value *getSymbolicPart() const { return SymbolicPart; }
129     unsigned getSymbolicRank() const { return SymbolicRank; }
130     const APInt &getConstPart() const { return ConstPart; }
131
132     void Invalidate() { SymbolicPart = OrigVal = 0; }
133     void setSymbolicRank(unsigned R) { SymbolicRank = R; }
134
135     // Sort the XorOpnd-Pointer in ascending order of symbolic-value-rank.
136     // The purpose is twofold:
137     // 1) Cluster together the operands sharing the same symbolic-value.
138     // 2) Operand having smaller symbolic-value-rank is permuted earlier, which 
139     //   could potentially shorten crital path, and expose more loop-invariants.
140     //   Note that values' rank are basically defined in RPO order (FIXME). 
141     //   So, if Rank(X) < Rank(Y) < Rank(Z), it means X is defined earlier 
142     //   than Y which is defined earlier than Z. Permute "x | 1", "Y & 2",
143     //   "z" in the order of X-Y-Z is better than any other orders.
144     struct PtrSortFunctor {
145       bool operator()(XorOpnd * const &LHS, XorOpnd * const &RHS) {
146         return LHS->getSymbolicRank() < RHS->getSymbolicRank();
147       }
148     };
149   private:
150     Value *OrigVal;
151     Value *SymbolicPart;
152     APInt ConstPart;
153     unsigned SymbolicRank;
154     bool isOr;
155   };
156 }
157
158 namespace {
159   class Reassociate : public FunctionPass {
160     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> RankMap;
161     DenseMap<AssertingVH<Value>, unsigned> ValueRankMap;
162     SetVector<AssertingVH<Instruction> > RedoInsts;
163     bool MadeChange;
164   public:
165     static char ID; // Pass identification, replacement for typeid
166     Reassociate() : FunctionPass(ID) {
167       initializeReassociatePass(*PassRegistry::getPassRegistry());
168     }
169
170     bool runOnFunction(Function &F) override;
171
172     void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
173       AU.setPreservesCFG();
174     }
175   private:
176     void BuildRankMap(Function &F);
177     unsigned getRank(Value *V);
178     void ReassociateExpression(BinaryOperator *I);
179     void RewriteExprTree(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
180     Value *OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
181                               SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
182     Value *OptimizeAdd(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
183     Value *OptimizeXor(Instruction *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
184     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, APInt &ConstOpnd,
185                         Value *&Res);
186     bool CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
187                         APInt &ConstOpnd, Value *&Res);
188     bool collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
189                                 SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
190     Value *buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
191                                    SmallVectorImpl<Factor> &Factors);
192     Value *OptimizeMul(BinaryOperator *I, SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops);
193     Value *RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor);
194     void EraseInst(Instruction *I);
195     void OptimizeInst(Instruction *I);
196   };
197 }
198
199 XorOpnd::XorOpnd(Value *V) {
200   assert(!isa<ConstantInt>(V) && "No ConstantInt");
201   OrigVal = V;
202   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
203   SymbolicRank = 0;
204
205   if (I && (I->getOpcode() == Instruction::Or ||
206             I->getOpcode() == Instruction::And)) {
207     Value *V0 = I->getOperand(0);
208     Value *V1 = I->getOperand(1);
209     if (isa<ConstantInt>(V0))
210       std::swap(V0, V1);
211
212     if (ConstantInt *C = dyn_cast<ConstantInt>(V1)) {
213       ConstPart = C->getValue();
214       SymbolicPart = V0;
215       isOr = (I->getOpcode() == Instruction::Or);
216       return;
217     }
218   }
219
220   // view the operand as "V | 0"
221   SymbolicPart = V;
222   ConstPart = APInt::getNullValue(V->getType()->getIntegerBitWidth());
223   isOr = true;
224 }
225
226 char Reassociate::ID = 0;
227 INITIALIZE_PASS(Reassociate, "reassociate",
228                 "Reassociate expressions", false, false)
229
230 // Public interface to the Reassociate pass
231 FunctionPass *llvm::createReassociatePass() { return new Reassociate(); }
232
233 /// isReassociableOp - Return true if V is an instruction of the specified
234 /// opcode and if it only has one use.
235 static BinaryOperator *isReassociableOp(Value *V, unsigned Opcode) {
236   if (V->hasOneUse() && isa<Instruction>(V) &&
237       cast<Instruction>(V)->getOpcode() == Opcode)
238     return cast<BinaryOperator>(V);
239   return 0;
240 }
241
242 static bool isUnmovableInstruction(Instruction *I) {
243   switch (I->getOpcode()) {
244   case Instruction::PHI:
245   case Instruction::LandingPad:
246   case Instruction::Alloca:
247   case Instruction::Load:
248   case Instruction::Invoke:
249   case Instruction::UDiv:
250   case Instruction::SDiv:
251   case Instruction::FDiv:
252   case Instruction::URem:
253   case Instruction::SRem:
254   case Instruction::FRem:
255     return true;
256   case Instruction::Call:
257     return !isa<DbgInfoIntrinsic>(I);
258   default:
259     return false;
260   }
261 }
262
263 void Reassociate::BuildRankMap(Function &F) {
264   unsigned i = 2;
265
266   // Assign distinct ranks to function arguments
267   for (Function::arg_iterator I = F.arg_begin(), E = F.arg_end(); I != E; ++I)
268     ValueRankMap[&*I] = ++i;
269
270   ReversePostOrderTraversal<Function*> RPOT(&F);
271   for (ReversePostOrderTraversal<Function*>::rpo_iterator I = RPOT.begin(),
272          E = RPOT.end(); I != E; ++I) {
273     BasicBlock *BB = *I;
274     unsigned BBRank = RankMap[BB] = ++i << 16;
275
276     // Walk the basic block, adding precomputed ranks for any instructions that
277     // we cannot move.  This ensures that the ranks for these instructions are
278     // all different in the block.
279     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(), E = BB->end(); I != E; ++I)
280       if (isUnmovableInstruction(I))
281         ValueRankMap[&*I] = ++BBRank;
282   }
283 }
284
285 unsigned Reassociate::getRank(Value *V) {
286   Instruction *I = dyn_cast<Instruction>(V);
287   if (I == 0) {
288     if (isa<Argument>(V)) return ValueRankMap[V];   // Function argument.
289     return 0;  // Otherwise it's a global or constant, rank 0.
290   }
291
292   if (unsigned Rank = ValueRankMap[I])
293     return Rank;    // Rank already known?
294
295   // If this is an expression, return the 1+MAX(rank(LHS), rank(RHS)) so that
296   // we can reassociate expressions for code motion!  Since we do not recurse
297   // for PHI nodes, we cannot have infinite recursion here, because there
298   // cannot be loops in the value graph that do not go through PHI nodes.
299   unsigned Rank = 0, MaxRank = RankMap[I->getParent()];
300   for (unsigned i = 0, e = I->getNumOperands();
301        i != e && Rank != MaxRank; ++i)
302     Rank = std::max(Rank, getRank(I->getOperand(i)));
303
304   // If this is a not or neg instruction, do not count it for rank.  This
305   // assures us that X and ~X will have the same rank.
306   if (!I->getType()->isIntegerTy() ||
307       (!BinaryOperator::isNot(I) && !BinaryOperator::isNeg(I)))
308     ++Rank;
309
310   //DEBUG(dbgs() << "Calculated Rank[" << V->getName() << "] = "
311   //     << Rank << "\n");
312
313   return ValueRankMap[I] = Rank;
314 }
315
316 /// LowerNegateToMultiply - Replace 0-X with X*-1.
317 ///
318 static BinaryOperator *LowerNegateToMultiply(Instruction *Neg) {
319   Constant *Cst = Constant::getAllOnesValue(Neg->getType());
320
321   BinaryOperator *Res =
322     BinaryOperator::CreateMul(Neg->getOperand(1), Cst, "",Neg);
323   Neg->setOperand(1, Constant::getNullValue(Neg->getType())); // Drop use of op.
324   Res->takeName(Neg);
325   Neg->replaceAllUsesWith(Res);
326   Res->setDebugLoc(Neg->getDebugLoc());
327   return Res;
328 }
329
330 /// CarmichaelShift - Returns k such that lambda(2^Bitwidth) = 2^k, where lambda
331 /// is the Carmichael function. This means that x^(2^k) === 1 mod 2^Bitwidth for
332 /// every odd x, i.e. x^(2^k) = 1 for every odd x in Bitwidth-bit arithmetic.
333 /// Note that 0 <= k < Bitwidth, and if Bitwidth > 3 then x^(2^k) = 0 for every
334 /// even x in Bitwidth-bit arithmetic.
335 static unsigned CarmichaelShift(unsigned Bitwidth) {
336   if (Bitwidth < 3)
337     return Bitwidth - 1;
338   return Bitwidth - 2;
339 }
340
341 /// IncorporateWeight - Add the extra weight 'RHS' to the existing weight 'LHS',
342 /// reducing the combined weight using any special properties of the operation.
343 /// The existing weight LHS represents the computation X op X op ... op X where
344 /// X occurs LHS times.  The combined weight represents  X op X op ... op X with
345 /// X occurring LHS + RHS times.  If op is "Xor" for example then the combined
346 /// operation is equivalent to X if LHS + RHS is odd, or 0 if LHS + RHS is even;
347 /// the routine returns 1 in LHS in the first case, and 0 in LHS in the second.
348 static void IncorporateWeight(APInt &LHS, const APInt &RHS, unsigned Opcode) {
349   // If we were working with infinite precision arithmetic then the combined
350   // weight would be LHS + RHS.  But we are using finite precision arithmetic,
351   // and the APInt sum LHS + RHS may not be correct if it wraps (it is correct
352   // for nilpotent operations and addition, but not for idempotent operations
353   // and multiplication), so it is important to correctly reduce the combined
354   // weight back into range if wrapping would be wrong.
355
356   // If RHS is zero then the weight didn't change.
357   if (RHS.isMinValue())
358     return;
359   // If LHS is zero then the combined weight is RHS.
360   if (LHS.isMinValue()) {
361     LHS = RHS;
362     return;
363   }
364   // From this point on we know that neither LHS nor RHS is zero.
365
366   if (Instruction::isIdempotent(Opcode)) {
367     // Idempotent means X op X === X, so any non-zero weight is equivalent to a
368     // weight of 1.  Keeping weights at zero or one also means that wrapping is
369     // not a problem.
370     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
371     return; // Return a weight of 1.
372   }
373   if (Instruction::isNilpotent(Opcode)) {
374     // Nilpotent means X op X === 0, so reduce weights modulo 2.
375     assert(LHS == 1 && RHS == 1 && "Weights not reduced!");
376     LHS = 0; // 1 + 1 === 0 modulo 2.
377     return;
378   }
379   if (Opcode == Instruction::Add) {
380     // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?
381     LHS += RHS;
382     return;
383   }
384
385   assert(Opcode == Instruction::Mul && "Unknown associative operation!");
386   unsigned Bitwidth = LHS.getBitWidth();
387   // If CM is the Carmichael number then a weight W satisfying W >= CM+Bitwidth
388   // can be replaced with W-CM.  That's because x^W=x^(W-CM) for every Bitwidth
389   // bit number x, since either x is odd in which case x^CM = 1, or x is even in
390   // which case both x^W and x^(W - CM) are zero.  By subtracting off multiples
391   // of CM like this weights can always be reduced to the range [0, CM+Bitwidth)
392   // which by a happy accident means that they can always be represented using
393   // Bitwidth bits.
394   // TODO: Reduce the weight by exploiting nsw/nuw?  (Could do much better than
395   // the Carmichael number).
396   if (Bitwidth > 3) {
397     /// CM - The value of Carmichael's lambda function.
398     APInt CM = APInt::getOneBitSet(Bitwidth, CarmichaelShift(Bitwidth));
399     // Any weight W >= Threshold can be replaced with W - CM.
400     APInt Threshold = CM + Bitwidth;
401     assert(LHS.ult(Threshold) && RHS.ult(Threshold) && "Weights not reduced!");
402     // For Bitwidth 4 or more the following sum does not overflow.
403     LHS += RHS;
404     while (LHS.uge(Threshold))
405       LHS -= CM;
406   } else {
407     // To avoid problems with overflow do everything the same as above but using
408     // a larger type.
409     unsigned CM = 1U << CarmichaelShift(Bitwidth);
410     unsigned Threshold = CM + Bitwidth;
411     assert(LHS.getZExtValue() < Threshold && RHS.getZExtValue() < Threshold &&
412            "Weights not reduced!");
413     unsigned Total = LHS.getZExtValue() + RHS.getZExtValue();
414     while (Total >= Threshold)
415       Total -= CM;
416     LHS = Total;
417   }
418 }
419
420 typedef std::pair<Value*, APInt> RepeatedValue;
421
422 /// LinearizeExprTree - Given an associative binary expression, return the leaf
423 /// nodes in Ops along with their weights (how many times the leaf occurs).  The
424 /// original expression is the same as
425 ///   (Ops[0].first op Ops[0].first op ... Ops[0].first)  <- Ops[0].second times
426 /// op
427 ///   (Ops[1].first op Ops[1].first op ... Ops[1].first)  <- Ops[1].second times
428 /// op
429 ///   ...
430 /// op
431 ///   (Ops[N].first op Ops[N].first op ... Ops[N].first)  <- Ops[N].second times
432 ///
433 /// Note that the values Ops[0].first, ..., Ops[N].first are all distinct.
434 ///
435 /// This routine may modify the function, in which case it returns 'true'.  The
436 /// changes it makes may well be destructive, changing the value computed by 'I'
437 /// to something completely different.  Thus if the routine returns 'true' then
438 /// you MUST either replace I with a new expression computed from the Ops array,
439 /// or use RewriteExprTree to put the values back in.
440 ///
441 /// A leaf node is either not a binary operation of the same kind as the root
442 /// node 'I' (i.e. is not a binary operator at all, or is, but with a different
443 /// opcode), or is the same kind of binary operator but has a use which either
444 /// does not belong to the expression, or does belong to the expression but is
445 /// a leaf node.  Every leaf node has at least one use that is a non-leaf node
446 /// of the expression, while for non-leaf nodes (except for the root 'I') every
447 /// use is a non-leaf node of the expression.
448 ///
449 /// For example:
450 ///           expression graph        node names
451 ///
452 ///                     +        |        I
453 ///                    / \       |
454 ///                   +   +      |      A,  B
455 ///                  / \ / \     |
456 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
457 ///                / \ / \ / \   |
458 ///                   +   *      |      F,  G
459 ///
460 /// The leaf nodes are C, E, F and G.  The Ops array will contain (maybe not in
461 /// that order) (C, 1), (E, 1), (F, 2), (G, 2).
462 ///
463 /// The expression is maximal: if some instruction is a binary operator of the
464 /// same kind as 'I', and all of its uses are non-leaf nodes of the expression,
465 /// then the instruction also belongs to the expression, is not a leaf node of
466 /// it, and its operands also belong to the expression (but may be leaf nodes).
467 ///
468 /// NOTE: This routine will set operands of non-leaf non-root nodes to undef in
469 /// order to ensure that every non-root node in the expression has *exactly one*
470 /// use by a non-leaf node of the expression.  This destruction means that the
471 /// caller MUST either replace 'I' with a new expression or use something like
472 /// RewriteExprTree to put the values back in if the routine indicates that it
473 /// made a change by returning 'true'.
474 ///
475 /// In the above example either the right operand of A or the left operand of B
476 /// will be replaced by undef.  If it is B's operand then this gives:
477 ///
478 ///                     +        |        I
479 ///                    / \       |
480 ///                   +   +      |      A,  B - operand of B replaced with undef
481 ///                  / \   \     |
482 ///                 *   +   *    |    C,  D,  E
483 ///                / \ / \ / \   |
484 ///                   +   *      |      F,  G
485 ///
486 /// Note that such undef operands can only be reached by passing through 'I'.
487 /// For example, if you visit operands recursively starting from a leaf node
488 /// then you will never see such an undef operand unless you get back to 'I',
489 /// which requires passing through a phi node.
490 ///
491 /// Note that this routine may also mutate binary operators of the wrong type
492 /// that have all uses inside the expression (i.e. only used by non-leaf nodes
493 /// of the expression) if it can turn them into binary operators of the right
494 /// type and thus make the expression bigger.
495
496 static bool LinearizeExprTree(BinaryOperator *I,
497                               SmallVectorImpl<RepeatedValue> &Ops) {
498   DEBUG(dbgs() << "LINEARIZE: " << *I << '\n');
499   unsigned Bitwidth = I->getType()->getScalarType()->getPrimitiveSizeInBits();
500   unsigned Opcode = I->getOpcode();
501   assert(Instruction::isAssociative(Opcode) &&
502          Instruction::isCommutative(Opcode) &&
503          "Expected an associative and commutative operation!");
504
505   // Visit all operands of the expression, keeping track of their weight (the
506   // number of paths from the expression root to the operand, or if you like
507   // the number of times that operand occurs in the linearized expression).
508   // For example, if I = X + A, where X = A + B, then I, X and B have weight 1
509   // while A has weight two.
510
511   // Worklist of non-leaf nodes (their operands are in the expression too) along
512   // with their weights, representing a certain number of paths to the operator.
513   // If an operator occurs in the worklist multiple times then we found multiple
514   // ways to get to it.
515   SmallVector<std::pair<BinaryOperator*, APInt>, 8> Worklist; // (Op, Weight)
516   Worklist.push_back(std::make_pair(I, APInt(Bitwidth, 1)));
517   bool MadeChange = false;
518
519   // Leaves of the expression are values that either aren't the right kind of
520   // operation (eg: a constant, or a multiply in an add tree), or are, but have
521   // some uses that are not inside the expression.  For example, in I = X + X,
522   // X = A + B, the value X has two uses (by I) that are in the expression.  If
523   // X has any other uses, for example in a return instruction, then we consider
524   // X to be a leaf, and won't analyze it further.  When we first visit a value,
525   // if it has more than one use then at first we conservatively consider it to
526   // be a leaf.  Later, as the expression is explored, we may discover some more
527   // uses of the value from inside the expression.  If all uses turn out to be
528   // from within the expression (and the value is a binary operator of the right
529   // kind) then the value is no longer considered to be a leaf, and its operands
530   // are explored.
531
532   // Leaves - Keeps track of the set of putative leaves as well as the number of
533   // paths to each leaf seen so far.
534   typedef DenseMap<Value*, APInt> LeafMap;
535   LeafMap Leaves; // Leaf -> Total weight so far.
536   SmallVector<Value*, 8> LeafOrder; // Ensure deterministic leaf output order.
537
538 #ifndef NDEBUG
539   SmallPtrSet<Value*, 8> Visited; // For sanity checking the iteration scheme.
540 #endif
541   while (!Worklist.empty()) {
542     std::pair<BinaryOperator*, APInt> P = Worklist.pop_back_val();
543     I = P.first; // We examine the operands of this binary operator.
544
545     for (unsigned OpIdx = 0; OpIdx < 2; ++OpIdx) { // Visit operands.
546       Value *Op = I->getOperand(OpIdx);
547       APInt Weight = P.second; // Number of paths to this operand.
548       DEBUG(dbgs() << "OPERAND: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
549       assert(!Op->use_empty() && "No uses, so how did we get to it?!");
550
551       // If this is a binary operation of the right kind with only one use then
552       // add its operands to the expression.
553       if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
554         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
555         DEBUG(dbgs() << "DIRECT ADD: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
556         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
557         continue;
558       }
559
560       // Appears to be a leaf.  Is the operand already in the set of leaves?
561       LeafMap::iterator It = Leaves.find(Op);
562       if (It == Leaves.end()) {
563         // Not in the leaf map.  Must be the first time we saw this operand.
564         assert(Visited.insert(Op) && "Not first visit!");
565         if (!Op->hasOneUse()) {
566           // This value has uses not accounted for by the expression, so it is
567           // not safe to modify.  Mark it as being a leaf.
568           DEBUG(dbgs() << "ADD USES LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
569           LeafOrder.push_back(Op);
570           Leaves[Op] = Weight;
571           continue;
572         }
573         // No uses outside the expression, try morphing it.
574       } else if (It != Leaves.end()) {
575         // Already in the leaf map.
576         assert(Visited.count(Op) && "In leaf map but not visited!");
577
578         // Update the number of paths to the leaf.
579         IncorporateWeight(It->second, Weight, Opcode);
580
581 #if 0   // TODO: Re-enable once PR13021 is fixed.
582         // The leaf already has one use from inside the expression.  As we want
583         // exactly one such use, drop this new use of the leaf.
584         assert(!Op->hasOneUse() && "Only one use, but we got here twice!");
585         I->setOperand(OpIdx, UndefValue::get(I->getType()));
586         MadeChange = true;
587
588         // If the leaf is a binary operation of the right kind and we now see
589         // that its multiple original uses were in fact all by nodes belonging
590         // to the expression, then no longer consider it to be a leaf and add
591         // its operands to the expression.
592         if (BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op, Opcode)) {
593           DEBUG(dbgs() << "UNLEAF: " << *Op << " (" << It->second << ")\n");
594           Worklist.push_back(std::make_pair(BO, It->second));
595           Leaves.erase(It);
596           continue;
597         }
598 #endif
599
600         // If we still have uses that are not accounted for by the expression
601         // then it is not safe to modify the value.
602         if (!Op->hasOneUse())
603           continue;
604
605         // No uses outside the expression, try morphing it.
606         Weight = It->second;
607         Leaves.erase(It); // Since the value may be morphed below.
608       }
609
610       // At this point we have a value which, first of all, is not a binary
611       // expression of the right kind, and secondly, is only used inside the
612       // expression.  This means that it can safely be modified.  See if we
613       // can usefully morph it into an expression of the right kind.
614       assert((!isa<Instruction>(Op) ||
615               cast<Instruction>(Op)->getOpcode() != Opcode) &&
616              "Should have been handled above!");
617       assert(Op->hasOneUse() && "Has uses outside the expression tree!");
618
619       // If this is a multiply expression, turn any internal negations into
620       // multiplies by -1 so they can be reassociated.
621       BinaryOperator *BO = dyn_cast<BinaryOperator>(Op);
622       if (Opcode == Instruction::Mul && BO && BinaryOperator::isNeg(BO)) {
623         DEBUG(dbgs() << "MORPH LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ") TO ");
624         BO = LowerNegateToMultiply(BO);
625         DEBUG(dbgs() << *BO << 'n');
626         Worklist.push_back(std::make_pair(BO, Weight));
627         MadeChange = true;
628         continue;
629       }
630
631       // Failed to morph into an expression of the right type.  This really is
632       // a leaf.
633       DEBUG(dbgs() << "ADD LEAF: " << *Op << " (" << Weight << ")\n");
634       assert(!isReassociableOp(Op, Opcode) && "Value was morphed?");
635       LeafOrder.push_back(Op);
636       Leaves[Op] = Weight;
637     }
638   }
639
640   // The leaves, repeated according to their weights, represent the linearized
641   // form of the expression.
642   for (unsigned i = 0, e = LeafOrder.size(); i != e; ++i) {
643     Value *V = LeafOrder[i];
644     LeafMap::iterator It = Leaves.find(V);
645     if (It == Leaves.end())
646       // Node initially thought to be a leaf wasn't.
647       continue;
648     assert(!isReassociableOp(V, Opcode) && "Shouldn't be a leaf!");
649     APInt Weight = It->second;
650     if (Weight.isMinValue())
651       // Leaf already output or weight reduction eliminated it.
652       continue;
653     // Ensure the leaf is only output once.
654     It->second = 0;
655     Ops.push_back(std::make_pair(V, Weight));
656   }
657
658   // For nilpotent operations or addition there may be no operands, for example
659   // because the expression was "X xor X" or consisted of 2^Bitwidth additions:
660   // in both cases the weight reduces to 0 causing the value to be skipped.
661   if (Ops.empty()) {
662     Constant *Identity = ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType());
663     assert(Identity && "Associative operation without identity!");
664     Ops.push_back(std::make_pair(Identity, APInt(Bitwidth, 1)));
665   }
666
667   return MadeChange;
668 }
669
670 // RewriteExprTree - Now that the operands for this expression tree are
671 // linearized and optimized, emit them in-order.
672 void Reassociate::RewriteExprTree(BinaryOperator *I,
673                                   SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
674   assert(Ops.size() > 1 && "Single values should be used directly!");
675
676   // Since our optimizations should never increase the number of operations, the
677   // new expression can usually be written reusing the existing binary operators
678   // from the original expression tree, without creating any new instructions,
679   // though the rewritten expression may have a completely different topology.
680   // We take care to not change anything if the new expression will be the same
681   // as the original.  If more than trivial changes (like commuting operands)
682   // were made then we are obliged to clear out any optional subclass data like
683   // nsw flags.
684
685   /// NodesToRewrite - Nodes from the original expression available for writing
686   /// the new expression into.
687   SmallVector<BinaryOperator*, 8> NodesToRewrite;
688   unsigned Opcode = I->getOpcode();
689   BinaryOperator *Op = I;
690
691   /// NotRewritable - The operands being written will be the leaves of the new
692   /// expression and must not be used as inner nodes (via NodesToRewrite) by
693   /// mistake.  Inner nodes are always reassociable, and usually leaves are not
694   /// (if they were they would have been incorporated into the expression and so
695   /// would not be leaves), so most of the time there is no danger of this.  But
696   /// in rare cases a leaf may become reassociable if an optimization kills uses
697   /// of it, or it may momentarily become reassociable during rewriting (below)
698   /// due it being removed as an operand of one of its uses.  Ensure that misuse
699   /// of leaf nodes as inner nodes cannot occur by remembering all of the future
700   /// leaves and refusing to reuse any of them as inner nodes.
701   SmallPtrSet<Value*, 8> NotRewritable;
702   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
703     NotRewritable.insert(Ops[i].Op);
704
705   // ExpressionChanged - Non-null if the rewritten expression differs from the
706   // original in some non-trivial way, requiring the clearing of optional flags.
707   // Flags are cleared from the operator in ExpressionChanged up to I inclusive.
708   BinaryOperator *ExpressionChanged = 0;
709   for (unsigned i = 0; ; ++i) {
710     // The last operation (which comes earliest in the IR) is special as both
711     // operands will come from Ops, rather than just one with the other being
712     // a subexpression.
713     if (i+2 == Ops.size()) {
714       Value *NewLHS = Ops[i].Op;
715       Value *NewRHS = Ops[i+1].Op;
716       Value *OldLHS = Op->getOperand(0);
717       Value *OldRHS = Op->getOperand(1);
718
719       if (NewLHS == OldLHS && NewRHS == OldRHS)
720         // Nothing changed, leave it alone.
721         break;
722
723       if (NewLHS == OldRHS && NewRHS == OldLHS) {
724         // The order of the operands was reversed.  Swap them.
725         DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
726         Op->swapOperands();
727         DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
728         MadeChange = true;
729         ++NumChanged;
730         break;
731       }
732
733       // The new operation differs non-trivially from the original. Overwrite
734       // the old operands with the new ones.
735       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
736       if (NewLHS != OldLHS) {
737         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldLHS, Opcode);
738         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
739           NodesToRewrite.push_back(BO);
740         Op->setOperand(0, NewLHS);
741       }
742       if (NewRHS != OldRHS) {
743         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(OldRHS, Opcode);
744         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
745           NodesToRewrite.push_back(BO);
746         Op->setOperand(1, NewRHS);
747       }
748       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
749
750       ExpressionChanged = Op;
751       MadeChange = true;
752       ++NumChanged;
753
754       break;
755     }
756
757     // Not the last operation.  The left-hand side will be a sub-expression
758     // while the right-hand side will be the current element of Ops.
759     Value *NewRHS = Ops[i].Op;
760     if (NewRHS != Op->getOperand(1)) {
761       DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
762       if (NewRHS == Op->getOperand(0)) {
763         // The new right-hand side was already present as the left operand.  If
764         // we are lucky then swapping the operands will sort out both of them.
765         Op->swapOperands();
766       } else {
767         // Overwrite with the new right-hand side.
768         BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(1), Opcode);
769         if (BO && !NotRewritable.count(BO))
770           NodesToRewrite.push_back(BO);
771         Op->setOperand(1, NewRHS);
772         ExpressionChanged = Op;
773       }
774       DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
775       MadeChange = true;
776       ++NumChanged;
777     }
778
779     // Now deal with the left-hand side.  If this is already an operation node
780     // from the original expression then just rewrite the rest of the expression
781     // into it.
782     BinaryOperator *BO = isReassociableOp(Op->getOperand(0), Opcode);
783     if (BO && !NotRewritable.count(BO)) {
784       Op = BO;
785       continue;
786     }
787
788     // Otherwise, grab a spare node from the original expression and use that as
789     // the left-hand side.  If there are no nodes left then the optimizers made
790     // an expression with more nodes than the original!  This usually means that
791     // they did something stupid but it might mean that the problem was just too
792     // hard (finding the mimimal number of multiplications needed to realize a
793     // multiplication expression is NP-complete).  Whatever the reason, smart or
794     // stupid, create a new node if there are none left.
795     BinaryOperator *NewOp;
796     if (NodesToRewrite.empty()) {
797       Constant *Undef = UndefValue::get(I->getType());
798       NewOp = BinaryOperator::Create(Instruction::BinaryOps(Opcode),
799                                      Undef, Undef, "", I);
800     } else {
801       NewOp = NodesToRewrite.pop_back_val();
802     }
803
804     DEBUG(dbgs() << "RA: " << *Op << '\n');
805     Op->setOperand(0, NewOp);
806     DEBUG(dbgs() << "TO: " << *Op << '\n');
807     ExpressionChanged = Op;
808     MadeChange = true;
809     ++NumChanged;
810     Op = NewOp;
811   }
812
813   // If the expression changed non-trivially then clear out all subclass data
814   // starting from the operator specified in ExpressionChanged, and compactify
815   // the operators to just before the expression root to guarantee that the
816   // expression tree is dominated by all of Ops.
817   if (ExpressionChanged)
818     do {
819       ExpressionChanged->clearSubclassOptionalData();
820       if (ExpressionChanged == I)
821         break;
822       ExpressionChanged->moveBefore(I);
823       ExpressionChanged = cast<BinaryOperator>(*ExpressionChanged->user_begin());
824     } while (1);
825
826   // Throw away any left over nodes from the original expression.
827   for (unsigned i = 0, e = NodesToRewrite.size(); i != e; ++i)
828     RedoInsts.insert(NodesToRewrite[i]);
829 }
830
831 /// NegateValue - Insert instructions before the instruction pointed to by BI,
832 /// that computes the negative version of the value specified.  The negative
833 /// version of the value is returned, and BI is left pointing at the instruction
834 /// that should be processed next by the reassociation pass.
835 static Value *NegateValue(Value *V, Instruction *BI) {
836   if (Constant *C = dyn_cast<Constant>(V))
837     return ConstantExpr::getNeg(C);
838
839   // We are trying to expose opportunity for reassociation.  One of the things
840   // that we want to do to achieve this is to push a negation as deep into an
841   // expression chain as possible, to expose the add instructions.  In practice,
842   // this means that we turn this:
843   //   X = -(A+12+C+D)   into    X = -A + -12 + -C + -D = -12 + -A + -C + -D
844   // so that later, a: Y = 12+X could get reassociated with the -12 to eliminate
845   // the constants.  We assume that instcombine will clean up the mess later if
846   // we introduce tons of unnecessary negation instructions.
847   //
848   if (BinaryOperator *I = isReassociableOp(V, Instruction::Add)) {
849     // Push the negates through the add.
850     I->setOperand(0, NegateValue(I->getOperand(0), BI));
851     I->setOperand(1, NegateValue(I->getOperand(1), BI));
852
853     // We must move the add instruction here, because the neg instructions do
854     // not dominate the old add instruction in general.  By moving it, we are
855     // assured that the neg instructions we just inserted dominate the
856     // instruction we are about to insert after them.
857     //
858     I->moveBefore(BI);
859     I->setName(I->getName()+".neg");
860     return I;
861   }
862
863   // Okay, we need to materialize a negated version of V with an instruction.
864   // Scan the use lists of V to see if we have one already.
865   for (User *U : V->users()) {
866     if (!BinaryOperator::isNeg(U)) continue;
867
868     // We found one!  Now we have to make sure that the definition dominates
869     // this use.  We do this by moving it to the entry block (if it is a
870     // non-instruction value) or right after the definition.  These negates will
871     // be zapped by reassociate later, so we don't need much finesse here.
872     BinaryOperator *TheNeg = cast<BinaryOperator>(U);
873
874     // Verify that the negate is in this function, V might be a constant expr.
875     if (TheNeg->getParent()->getParent() != BI->getParent()->getParent())
876       continue;
877
878     BasicBlock::iterator InsertPt;
879     if (Instruction *InstInput = dyn_cast<Instruction>(V)) {
880       if (InvokeInst *II = dyn_cast<InvokeInst>(InstInput)) {
881         InsertPt = II->getNormalDest()->begin();
882       } else {
883         InsertPt = InstInput;
884         ++InsertPt;
885       }
886       while (isa<PHINode>(InsertPt)) ++InsertPt;
887     } else {
888       InsertPt = TheNeg->getParent()->getParent()->getEntryBlock().begin();
889     }
890     TheNeg->moveBefore(InsertPt);
891     return TheNeg;
892   }
893
894   // Insert a 'neg' instruction that subtracts the value from zero to get the
895   // negation.
896   return BinaryOperator::CreateNeg(V, V->getName() + ".neg", BI);
897 }
898
899 /// ShouldBreakUpSubtract - Return true if we should break up this subtract of
900 /// X-Y into (X + -Y).
901 static bool ShouldBreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
902   // If this is a negation, we can't split it up!
903   if (BinaryOperator::isNeg(Sub))
904     return false;
905
906   // Don't bother to break this up unless either the LHS is an associable add or
907   // subtract or if this is only used by one.
908   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Add) ||
909       isReassociableOp(Sub->getOperand(0), Instruction::Sub))
910     return true;
911   if (isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Add) ||
912       isReassociableOp(Sub->getOperand(1), Instruction::Sub))
913     return true;
914   if (Sub->hasOneUse() &&
915       (isReassociableOp(Sub->user_back(), Instruction::Add) ||
916        isReassociableOp(Sub->user_back(), Instruction::Sub)))
917     return true;
918
919   return false;
920 }
921
922 /// BreakUpSubtract - If we have (X-Y), and if either X is an add, or if this is
923 /// only used by an add, transform this into (X+(0-Y)) to promote better
924 /// reassociation.
925 static BinaryOperator *BreakUpSubtract(Instruction *Sub) {
926   // Convert a subtract into an add and a neg instruction. This allows sub
927   // instructions to be commuted with other add instructions.
928   //
929   // Calculate the negative value of Operand 1 of the sub instruction,
930   // and set it as the RHS of the add instruction we just made.
931   //
932   Value *NegVal = NegateValue(Sub->getOperand(1), Sub);
933   BinaryOperator *New =
934     BinaryOperator::CreateAdd(Sub->getOperand(0), NegVal, "", Sub);
935   Sub->setOperand(0, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
936   Sub->setOperand(1, Constant::getNullValue(Sub->getType())); // Drop use of op.
937   New->takeName(Sub);
938
939   // Everyone now refers to the add instruction.
940   Sub->replaceAllUsesWith(New);
941   New->setDebugLoc(Sub->getDebugLoc());
942
943   DEBUG(dbgs() << "Negated: " << *New << '\n');
944   return New;
945 }
946
947 /// ConvertShiftToMul - If this is a shift of a reassociable multiply or is used
948 /// by one, change this into a multiply by a constant to assist with further
949 /// reassociation.
950 static BinaryOperator *ConvertShiftToMul(Instruction *Shl) {
951   Constant *MulCst = ConstantInt::get(Shl->getType(), 1);
952   MulCst = ConstantExpr::getShl(MulCst, cast<Constant>(Shl->getOperand(1)));
953
954   BinaryOperator *Mul =
955     BinaryOperator::CreateMul(Shl->getOperand(0), MulCst, "", Shl);
956   Shl->setOperand(0, UndefValue::get(Shl->getType())); // Drop use of op.
957   Mul->takeName(Shl);
958   Shl->replaceAllUsesWith(Mul);
959   Mul->setDebugLoc(Shl->getDebugLoc());
960   return Mul;
961 }
962
963 /// FindInOperandList - Scan backwards and forwards among values with the same
964 /// rank as element i to see if X exists.  If X does not exist, return i.  This
965 /// is useful when scanning for 'x' when we see '-x' because they both get the
966 /// same rank.
967 static unsigned FindInOperandList(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops, unsigned i,
968                                   Value *X) {
969   unsigned XRank = Ops[i].Rank;
970   unsigned e = Ops.size();
971   for (unsigned j = i+1; j != e && Ops[j].Rank == XRank; ++j)
972     if (Ops[j].Op == X)
973       return j;
974   // Scan backwards.
975   for (unsigned j = i-1; j != ~0U && Ops[j].Rank == XRank; --j)
976     if (Ops[j].Op == X)
977       return j;
978   return i;
979 }
980
981 /// EmitAddTreeOfValues - Emit a tree of add instructions, summing Ops together
982 /// and returning the result.  Insert the tree before I.
983 static Value *EmitAddTreeOfValues(Instruction *I,
984                                   SmallVectorImpl<WeakVH> &Ops){
985   if (Ops.size() == 1) return Ops.back();
986
987   Value *V1 = Ops.back();
988   Ops.pop_back();
989   Value *V2 = EmitAddTreeOfValues(I, Ops);
990   return BinaryOperator::CreateAdd(V2, V1, "tmp", I);
991 }
992
993 /// RemoveFactorFromExpression - If V is an expression tree that is a
994 /// multiplication sequence, and if this sequence contains a multiply by Factor,
995 /// remove Factor from the tree and return the new tree.
996 Value *Reassociate::RemoveFactorFromExpression(Value *V, Value *Factor) {
997   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
998   if (!BO) return 0;
999
1000   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1001   MadeChange |= LinearizeExprTree(BO, Tree);
1002   SmallVector<ValueEntry, 8> Factors;
1003   Factors.reserve(Tree.size());
1004   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1005     RepeatedValue E = Tree[i];
1006     Factors.append(E.second.getZExtValue(),
1007                    ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1008   }
1009
1010   bool FoundFactor = false;
1011   bool NeedsNegate = false;
1012   for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1013     if (Factors[i].Op == Factor) {
1014       FoundFactor = true;
1015       Factors.erase(Factors.begin()+i);
1016       break;
1017     }
1018
1019     // If this is a negative version of this factor, remove it.
1020     if (ConstantInt *FC1 = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
1021       if (ConstantInt *FC2 = dyn_cast<ConstantInt>(Factors[i].Op))
1022         if (FC1->getValue() == -FC2->getValue()) {
1023           FoundFactor = NeedsNegate = true;
1024           Factors.erase(Factors.begin()+i);
1025           break;
1026         }
1027   }
1028
1029   if (!FoundFactor) {
1030     // Make sure to restore the operands to the expression tree.
1031     RewriteExprTree(BO, Factors);
1032     return 0;
1033   }
1034
1035   BasicBlock::iterator InsertPt = BO; ++InsertPt;
1036
1037   // If this was just a single multiply, remove the multiply and return the only
1038   // remaining operand.
1039   if (Factors.size() == 1) {
1040     RedoInsts.insert(BO);
1041     V = Factors[0].Op;
1042   } else {
1043     RewriteExprTree(BO, Factors);
1044     V = BO;
1045   }
1046
1047   if (NeedsNegate)
1048     V = BinaryOperator::CreateNeg(V, "neg", InsertPt);
1049
1050   return V;
1051 }
1052
1053 /// FindSingleUseMultiplyFactors - If V is a single-use multiply, recursively
1054 /// add its operands as factors, otherwise add V to the list of factors.
1055 ///
1056 /// Ops is the top-level list of add operands we're trying to factor.
1057 static void FindSingleUseMultiplyFactors(Value *V,
1058                                          SmallVectorImpl<Value*> &Factors,
1059                                        const SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1060   BinaryOperator *BO = isReassociableOp(V, Instruction::Mul);
1061   if (!BO) {
1062     Factors.push_back(V);
1063     return;
1064   }
1065
1066   // Otherwise, add the LHS and RHS to the list of factors.
1067   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(1), Factors, Ops);
1068   FindSingleUseMultiplyFactors(BO->getOperand(0), Factors, Ops);
1069 }
1070
1071 /// OptimizeAndOrXor - Optimize a series of operands to an 'and', 'or', or 'xor'
1072 /// instruction.  This optimizes based on identities.  If it can be reduced to
1073 /// a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1074 /// necessary.
1075 static Value *OptimizeAndOrXor(unsigned Opcode,
1076                                SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1077   // Scan the operand lists looking for X and ~X pairs, along with X,X pairs.
1078   // If we find any, we can simplify the expression. X&~X == 0, X|~X == -1.
1079   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1080     // First, check for X and ~X in the operand list.
1081     assert(i < Ops.size());
1082     if (BinaryOperator::isNot(Ops[i].Op)) {    // Cannot occur for ^.
1083       Value *X = BinaryOperator::getNotArgument(Ops[i].Op);
1084       unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1085       if (FoundX != i) {
1086         if (Opcode == Instruction::And)   // ...&X&~X = 0
1087           return Constant::getNullValue(X->getType());
1088
1089         if (Opcode == Instruction::Or)    // ...|X|~X = -1
1090           return Constant::getAllOnesValue(X->getType());
1091       }
1092     }
1093
1094     // Next, check for duplicate pairs of values, which we assume are next to
1095     // each other, due to our sorting criteria.
1096     assert(i < Ops.size());
1097     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == Ops[i].Op) {
1098       if (Opcode == Instruction::And || Opcode == Instruction::Or) {
1099         // Drop duplicate values for And and Or.
1100         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1101         --i; --e;
1102         ++NumAnnihil;
1103         continue;
1104       }
1105
1106       // Drop pairs of values for Xor.
1107       assert(Opcode == Instruction::Xor);
1108       if (e == 2)
1109         return Constant::getNullValue(Ops[0].Op->getType());
1110
1111       // Y ^ X^X -> Y
1112       Ops.erase(Ops.begin()+i, Ops.begin()+i+2);
1113       i -= 1; e -= 2;
1114       ++NumAnnihil;
1115     }
1116   }
1117   return 0;
1118 }
1119
1120 /// Helper funciton of CombineXorOpnd(). It creates a bitwise-and
1121 /// instruction with the given two operands, and return the resulting
1122 /// instruction. There are two special cases: 1) if the constant operand is 0,
1123 /// it will return NULL. 2) if the constant is ~0, the symbolic operand will
1124 /// be returned.
1125 static Value *createAndInstr(Instruction *InsertBefore, Value *Opnd, 
1126                              const APInt &ConstOpnd) {
1127   if (ConstOpnd != 0) {
1128     if (!ConstOpnd.isAllOnesValue()) {
1129       LLVMContext &Ctx = Opnd->getType()->getContext();
1130       Instruction *I;
1131       I = BinaryOperator::CreateAnd(Opnd, ConstantInt::get(Ctx, ConstOpnd),
1132                                     "and.ra", InsertBefore);
1133       I->setDebugLoc(InsertBefore->getDebugLoc());
1134       return I;
1135     }
1136     return Opnd;
1137   }
1138   return 0;
1139 }
1140
1141 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify "Opnd1 ^ ConstOpnd"
1142 // into "R ^ C", where C would be 0, and R is a symbolic value.
1143 //
1144 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned
1145 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively; otherwise, false is returned,
1146 // and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1147 //  
1148 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1,
1149                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1150   // Xor-Rule 1: (x | c1) ^ c2 = (x | c1) ^ (c1 ^ c1) ^ c2 
1151   //                       = ((x | c1) ^ c1) ^ (c1 ^ c2)
1152   //                       = (x & ~c1) ^ (c1 ^ c2)
1153   // It is useful only when c1 == c2.
1154   if (Opnd1->isOrExpr() && Opnd1->getConstPart() != 0) {
1155     if (!Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1156       return false;
1157
1158     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1159     if (C1 != ConstOpnd)
1160       return false;
1161
1162     Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1163     Res = createAndInstr(I, X, ~C1);
1164     // ConstOpnd was C2, now C1 ^ C2.
1165     ConstOpnd ^= C1;
1166
1167     if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1168       RedoInsts.insert(T);
1169     return true;
1170   }
1171   return false;
1172 }
1173
1174                            
1175 // Helper function of OptimizeXor(). It tries to simplify
1176 // "Opnd1 ^ Opnd2 ^ ConstOpnd" into "R ^ C", where C would be 0, and R is a
1177 // symbolic value. 
1178 // 
1179 // If it was successful, true is returned, and the "R" and "C" is returned 
1180 // via "Res" and "ConstOpnd", respectively (If the entire expression is
1181 // evaluated to a constant, the Res is set to NULL); otherwise, false is
1182 // returned, and both "Res" and "ConstOpnd" remain unchanged.
1183 bool Reassociate::CombineXorOpnd(Instruction *I, XorOpnd *Opnd1, XorOpnd *Opnd2,
1184                                  APInt &ConstOpnd, Value *&Res) {
1185   Value *X = Opnd1->getSymbolicPart();
1186   if (X != Opnd2->getSymbolicPart())
1187     return false;
1188
1189   // This many instruction become dead.(At least "Opnd1 ^ Opnd2" will die.)
1190   int DeadInstNum = 1;
1191   if (Opnd1->getValue()->hasOneUse())
1192     DeadInstNum++;
1193   if (Opnd2->getValue()->hasOneUse())
1194     DeadInstNum++;
1195
1196   // Xor-Rule 2:
1197   //  (x | c1) ^ (x & c2)
1198   //   = (x|c1) ^ (x&c2) ^ (c1 ^ c1) = ((x|c1) ^ c1) ^ (x & c2) ^ c1
1199   //   = (x & ~c1) ^ (x & c2) ^ c1               // Xor-Rule 1
1200   //   = (x & c3) ^ c1, where c3 = ~c1 ^ c2      // Xor-rule 3
1201   //
1202   if (Opnd1->isOrExpr() != Opnd2->isOrExpr()) {
1203     if (Opnd2->isOrExpr())
1204       std::swap(Opnd1, Opnd2);
1205
1206     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1207     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1208     APInt C3((~C1) ^ C2);
1209
1210     // Do not increase code size!
1211     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1212       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1213       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1214         return false;
1215     }
1216
1217     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1218     ConstOpnd ^= C1;
1219
1220   } else if (Opnd1->isOrExpr()) {
1221     // Xor-Rule 3: (x | c1) ^ (x | c2) = (x & c3) ^ c3 where c3 = c1 ^ c2
1222     //
1223     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1224     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1225     APInt C3 = C1 ^ C2;
1226     
1227     // Do not increase code size
1228     if (C3 != 0 && !C3.isAllOnesValue()) {
1229       int NewInstNum = ConstOpnd != 0 ? 1 : 2;
1230       if (NewInstNum > DeadInstNum)
1231         return false;
1232     }
1233
1234     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1235     ConstOpnd ^= C3;
1236   } else {
1237     // Xor-Rule 4: (x & c1) ^ (x & c2) = (x & (c1^c2))
1238     //
1239     const APInt &C1 = Opnd1->getConstPart();
1240     const APInt &C2 = Opnd2->getConstPart();
1241     APInt C3 = C1 ^ C2;
1242     Res = createAndInstr(I, X, C3);
1243   }
1244
1245   // Put the original operands in the Redo list; hope they will be deleted
1246   // as dead code.
1247   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd1->getValue()))
1248     RedoInsts.insert(T);
1249   if (Instruction *T = dyn_cast<Instruction>(Opnd2->getValue()))
1250     RedoInsts.insert(T);
1251
1252   return true;
1253 }
1254
1255 /// Optimize a series of operands to an 'xor' instruction. If it can be reduced
1256 /// to a single Value, it is returned, otherwise the Ops list is mutated as
1257 /// necessary.
1258 Value *Reassociate::OptimizeXor(Instruction *I,
1259                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1260   if (Value *V = OptimizeAndOrXor(Instruction::Xor, Ops))
1261     return V;
1262       
1263   if (Ops.size() == 1)
1264     return 0;
1265
1266   SmallVector<XorOpnd, 8> Opnds;
1267   SmallVector<XorOpnd*, 8> OpndPtrs;
1268   Type *Ty = Ops[0].Op->getType();
1269   APInt ConstOpnd(Ty->getIntegerBitWidth(), 0);
1270
1271   // Step 1: Convert ValueEntry to XorOpnd
1272   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1273     Value *V = Ops[i].Op;
1274     if (!isa<ConstantInt>(V)) {
1275       XorOpnd O(V);
1276       O.setSymbolicRank(getRank(O.getSymbolicPart()));
1277       Opnds.push_back(O);
1278     } else
1279       ConstOpnd ^= cast<ConstantInt>(V)->getValue();
1280   }
1281
1282   // NOTE: From this point on, do *NOT* add/delete element to/from "Opnds".
1283   //  It would otherwise invalidate the "Opnds"'s iterator, and hence invalidate
1284   //  the "OpndPtrs" as well. For the similar reason, do not fuse this loop
1285   //  with the previous loop --- the iterator of the "Opnds" may be invalidated
1286   //  when new elements are added to the vector.
1287   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i != e; ++i)
1288     OpndPtrs.push_back(&Opnds[i]);
1289
1290   // Step 2: Sort the Xor-Operands in a way such that the operands containing
1291   //  the same symbolic value cluster together. For instance, the input operand
1292   //  sequence ("x | 123", "y & 456", "x & 789") will be sorted into:
1293   //  ("x | 123", "x & 789", "y & 456").
1294   std::stable_sort(OpndPtrs.begin(), OpndPtrs.end(), XorOpnd::PtrSortFunctor());
1295
1296   // Step 3: Combine adjacent operands
1297   XorOpnd *PrevOpnd = 0;
1298   bool Changed = false;
1299   for (unsigned i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1300     XorOpnd *CurrOpnd = OpndPtrs[i];
1301     // The combined value
1302     Value *CV;
1303
1304     // Step 3.1: Try simplifying "CurrOpnd ^ ConstOpnd"
1305     if (ConstOpnd != 0 && CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1306       Changed = true;
1307       if (CV)
1308         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1309       else {
1310         CurrOpnd->Invalidate();
1311         continue;
1312       }
1313     }
1314
1315     if (!PrevOpnd || CurrOpnd->getSymbolicPart() != PrevOpnd->getSymbolicPart()) {
1316       PrevOpnd = CurrOpnd;
1317       continue;
1318     }
1319
1320     // step 3.2: When previous and current operands share the same symbolic
1321     //  value, try to simplify "PrevOpnd ^ CurrOpnd ^ ConstOpnd" 
1322     //    
1323     if (CombineXorOpnd(I, CurrOpnd, PrevOpnd, ConstOpnd, CV)) {
1324       // Remove previous operand
1325       PrevOpnd->Invalidate();
1326       if (CV) {
1327         *CurrOpnd = XorOpnd(CV);
1328         PrevOpnd = CurrOpnd;
1329       } else {
1330         CurrOpnd->Invalidate();
1331         PrevOpnd = 0;
1332       }
1333       Changed = true;
1334     }
1335   }
1336
1337   // Step 4: Reassemble the Ops
1338   if (Changed) {
1339     Ops.clear();
1340     for (unsigned int i = 0, e = Opnds.size(); i < e; i++) {
1341       XorOpnd &O = Opnds[i];
1342       if (O.isInvalid())
1343         continue;
1344       ValueEntry VE(getRank(O.getValue()), O.getValue());
1345       Ops.push_back(VE);
1346     }
1347     if (ConstOpnd != 0) {
1348       Value *C = ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1349       ValueEntry VE(getRank(C), C);
1350       Ops.push_back(VE);
1351     }
1352     int Sz = Ops.size();
1353     if (Sz == 1)
1354       return Ops.back().Op;
1355     else if (Sz == 0) {
1356       assert(ConstOpnd == 0);
1357       return ConstantInt::get(Ty->getContext(), ConstOpnd);
1358     }
1359   }
1360
1361   return 0;
1362 }
1363
1364 /// OptimizeAdd - Optimize a series of operands to an 'add' instruction.  This
1365 /// optimizes based on identities.  If it can be reduced to a single Value, it
1366 /// is returned, otherwise the Ops list is mutated as necessary.
1367 Value *Reassociate::OptimizeAdd(Instruction *I,
1368                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1369   // Scan the operand lists looking for X and -X pairs.  If we find any, we
1370   // can simplify the expression. X+-X == 0.  While we're at it, scan for any
1371   // duplicates.  We want to canonicalize Y+Y+Y+Z -> 3*Y+Z.
1372   //
1373   // TODO: We could handle "X + ~X" -> "-1" if we wanted, since "-X = ~X+1".
1374   //
1375   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1376     Value *TheOp = Ops[i].Op;
1377     // Check to see if we've seen this operand before.  If so, we factor all
1378     // instances of the operand together.  Due to our sorting criteria, we know
1379     // that these need to be next to each other in the vector.
1380     if (i+1 != Ops.size() && Ops[i+1].Op == TheOp) {
1381       // Rescan the list, remove all instances of this operand from the expr.
1382       unsigned NumFound = 0;
1383       do {
1384         Ops.erase(Ops.begin()+i);
1385         ++NumFound;
1386       } while (i != Ops.size() && Ops[i].Op == TheOp);
1387
1388       DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << NumFound << "]: " << *TheOp << '\n');
1389       ++NumFactor;
1390
1391       // Insert a new multiply.
1392       Value *Mul = ConstantInt::get(cast<IntegerType>(I->getType()), NumFound);
1393       Mul = BinaryOperator::CreateMul(TheOp, Mul, "factor", I);
1394
1395       // Now that we have inserted a multiply, optimize it. This allows us to
1396       // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1397       // (X*2) + (X*2) + (X*2) -> (X*2)*3 -> X*6
1398       RedoInsts.insert(cast<Instruction>(Mul));
1399
1400       // If every add operand was a duplicate, return the multiply.
1401       if (Ops.empty())
1402         return Mul;
1403
1404       // Otherwise, we had some input that didn't have the dupe, such as
1405       // "A + A + B" -> "A*2 + B".  Add the new multiply to the list of
1406       // things being added by this operation.
1407       Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(Mul), Mul));
1408
1409       --i;
1410       e = Ops.size();
1411       continue;
1412     }
1413
1414     // Check for X and -X in the operand list.
1415     if (!BinaryOperator::isNeg(TheOp))
1416       continue;
1417
1418     Value *X = BinaryOperator::getNegArgument(TheOp);
1419     unsigned FoundX = FindInOperandList(Ops, i, X);
1420     if (FoundX == i)
1421       continue;
1422
1423     // Remove X and -X from the operand list.
1424     if (Ops.size() == 2)
1425       return Constant::getNullValue(X->getType());
1426
1427     Ops.erase(Ops.begin()+i);
1428     if (i < FoundX)
1429       --FoundX;
1430     else
1431       --i;   // Need to back up an extra one.
1432     Ops.erase(Ops.begin()+FoundX);
1433     ++NumAnnihil;
1434     --i;     // Revisit element.
1435     e -= 2;  // Removed two elements.
1436   }
1437
1438   // Scan the operand list, checking to see if there are any common factors
1439   // between operands.  Consider something like A*A+A*B*C+D.  We would like to
1440   // reassociate this to A*(A+B*C)+D, which reduces the number of multiplies.
1441   // To efficiently find this, we count the number of times a factor occurs
1442   // for any ADD operands that are MULs.
1443   DenseMap<Value*, unsigned> FactorOccurrences;
1444
1445   // Keep track of each multiply we see, to avoid triggering on (X*4)+(X*4)
1446   // where they are actually the same multiply.
1447   unsigned MaxOcc = 0;
1448   Value *MaxOccVal = 0;
1449   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i) {
1450     BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1451     if (!BOp)
1452       continue;
1453
1454     // Compute all of the factors of this added value.
1455     SmallVector<Value*, 8> Factors;
1456     FindSingleUseMultiplyFactors(BOp, Factors, Ops);
1457     assert(Factors.size() > 1 && "Bad linearize!");
1458
1459     // Add one to FactorOccurrences for each unique factor in this op.
1460     SmallPtrSet<Value*, 8> Duplicates;
1461     for (unsigned i = 0, e = Factors.size(); i != e; ++i) {
1462       Value *Factor = Factors[i];
1463       if (!Duplicates.insert(Factor)) continue;
1464
1465       unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1466       if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1467
1468       // If Factor is a negative constant, add the negated value as a factor
1469       // because we can percolate the negate out.  Watch for minint, which
1470       // cannot be positivified.
1471       if (ConstantInt *CI = dyn_cast<ConstantInt>(Factor))
1472         if (CI->isNegative() && !CI->isMinValue(true)) {
1473           Factor = ConstantInt::get(CI->getContext(), -CI->getValue());
1474           assert(!Duplicates.count(Factor) &&
1475                  "Shouldn't have two constant factors, missed a canonicalize");
1476
1477           unsigned Occ = ++FactorOccurrences[Factor];
1478           if (Occ > MaxOcc) { MaxOcc = Occ; MaxOccVal = Factor; }
1479         }
1480     }
1481   }
1482
1483   // If any factor occurred more than one time, we can pull it out.
1484   if (MaxOcc > 1) {
1485     DEBUG(errs() << "\nFACTORING [" << MaxOcc << "]: " << *MaxOccVal << '\n');
1486     ++NumFactor;
1487
1488     // Create a new instruction that uses the MaxOccVal twice.  If we don't do
1489     // this, we could otherwise run into situations where removing a factor
1490     // from an expression will drop a use of maxocc, and this can cause
1491     // RemoveFactorFromExpression on successive values to behave differently.
1492     Instruction *DummyInst = BinaryOperator::CreateAdd(MaxOccVal, MaxOccVal);
1493     SmallVector<WeakVH, 4> NewMulOps;
1494     for (unsigned i = 0; i != Ops.size(); ++i) {
1495       // Only try to remove factors from expressions we're allowed to.
1496       BinaryOperator *BOp = isReassociableOp(Ops[i].Op, Instruction::Mul);
1497       if (!BOp)
1498         continue;
1499
1500       if (Value *V = RemoveFactorFromExpression(Ops[i].Op, MaxOccVal)) {
1501         // The factorized operand may occur several times.  Convert them all in
1502         // one fell swoop.
1503         for (unsigned j = Ops.size(); j != i;) {
1504           --j;
1505           if (Ops[j].Op == Ops[i].Op) {
1506             NewMulOps.push_back(V);
1507             Ops.erase(Ops.begin()+j);
1508           }
1509         }
1510         --i;
1511       }
1512     }
1513
1514     // No need for extra uses anymore.
1515     delete DummyInst;
1516
1517     unsigned NumAddedValues = NewMulOps.size();
1518     Value *V = EmitAddTreeOfValues(I, NewMulOps);
1519
1520     // Now that we have inserted the add tree, optimize it. This allows us to
1521     // handle cases that require multiple factoring steps, such as this:
1522     // A*A*B + A*A*C   -->   A*(A*B+A*C)   -->   A*(A*(B+C))
1523     assert(NumAddedValues > 1 && "Each occurrence should contribute a value");
1524     (void)NumAddedValues;
1525     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1526       RedoInsts.insert(VI);
1527
1528     // Create the multiply.
1529     Instruction *V2 = BinaryOperator::CreateMul(V, MaxOccVal, "tmp", I);
1530
1531     // Rerun associate on the multiply in case the inner expression turned into
1532     // a multiply.  We want to make sure that we keep things in canonical form.
1533     RedoInsts.insert(V2);
1534
1535     // If every add operand included the factor (e.g. "A*B + A*C"), then the
1536     // entire result expression is just the multiply "A*(B+C)".
1537     if (Ops.empty())
1538       return V2;
1539
1540     // Otherwise, we had some input that didn't have the factor, such as
1541     // "A*B + A*C + D" -> "A*(B+C) + D".  Add the new multiply to the list of
1542     // things being added by this operation.
1543     Ops.insert(Ops.begin(), ValueEntry(getRank(V2), V2));
1544   }
1545
1546   return 0;
1547 }
1548
1549 /// \brief Build up a vector of value/power pairs factoring a product.
1550 ///
1551 /// Given a series of multiplication operands, build a vector of factors and
1552 /// the powers each is raised to when forming the final product. Sort them in
1553 /// the order of descending power.
1554 ///
1555 ///      (x*x)          -> [(x, 2)]
1556 ///     ((x*x)*x)       -> [(x, 3)]
1557 ///   ((((x*y)*x)*y)*x) -> [(x, 3), (y, 2)]
1558 ///
1559 /// \returns Whether any factors have a power greater than one.
1560 bool Reassociate::collectMultiplyFactors(SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops,
1561                                          SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1562   // FIXME: Have Ops be (ValueEntry, Multiplicity) pairs, simplifying this.
1563   // Compute the sum of powers of simplifiable factors.
1564   unsigned FactorPowerSum = 0;
1565   for (unsigned Idx = 1, Size = Ops.size(); Idx < Size; ++Idx) {
1566     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1567
1568     // Count the number of occurrences of this value.
1569     unsigned Count = 1;
1570     for (; Idx < Size && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1571       ++Count;
1572     // Track for simplification all factors which occur 2 or more times.
1573     if (Count > 1)
1574       FactorPowerSum += Count;
1575   }
1576
1577   // We can only simplify factors if the sum of the powers of our simplifiable
1578   // factors is 4 or higher. When that is the case, we will *always* have
1579   // a simplification. This is an important invariant to prevent cyclicly
1580   // trying to simplify already minimal formations.
1581   if (FactorPowerSum < 4)
1582     return false;
1583
1584   // Now gather the simplifiable factors, removing them from Ops.
1585   FactorPowerSum = 0;
1586   for (unsigned Idx = 1; Idx < Ops.size(); ++Idx) {
1587     Value *Op = Ops[Idx-1].Op;
1588
1589     // Count the number of occurrences of this value.
1590     unsigned Count = 1;
1591     for (; Idx < Ops.size() && Ops[Idx].Op == Op; ++Idx)
1592       ++Count;
1593     if (Count == 1)
1594       continue;
1595     // Move an even number of occurrences to Factors.
1596     Count &= ~1U;
1597     Idx -= Count;
1598     FactorPowerSum += Count;
1599     Factors.push_back(Factor(Op, Count));
1600     Ops.erase(Ops.begin()+Idx, Ops.begin()+Idx+Count);
1601   }
1602
1603   // None of the adjustments above should have reduced the sum of factor powers
1604   // below our mininum of '4'.
1605   assert(FactorPowerSum >= 4);
1606
1607   std::stable_sort(Factors.begin(), Factors.end(), Factor::PowerDescendingSorter());
1608   return true;
1609 }
1610
1611 /// \brief Build a tree of multiplies, computing the product of Ops.
1612 static Value *buildMultiplyTree(IRBuilder<> &Builder,
1613                                 SmallVectorImpl<Value*> &Ops) {
1614   if (Ops.size() == 1)
1615     return Ops.back();
1616
1617   Value *LHS = Ops.pop_back_val();
1618   do {
1619     LHS = Builder.CreateMul(LHS, Ops.pop_back_val());
1620   } while (!Ops.empty());
1621
1622   return LHS;
1623 }
1624
1625 /// \brief Build a minimal multiplication DAG for (a^x)*(b^y)*(c^z)*...
1626 ///
1627 /// Given a vector of values raised to various powers, where no two values are
1628 /// equal and the powers are sorted in decreasing order, compute the minimal
1629 /// DAG of multiplies to compute the final product, and return that product
1630 /// value.
1631 Value *Reassociate::buildMinimalMultiplyDAG(IRBuilder<> &Builder,
1632                                             SmallVectorImpl<Factor> &Factors) {
1633   assert(Factors[0].Power);
1634   SmallVector<Value *, 4> OuterProduct;
1635   for (unsigned LastIdx = 0, Idx = 1, Size = Factors.size();
1636        Idx < Size && Factors[Idx].Power > 0; ++Idx) {
1637     if (Factors[Idx].Power != Factors[LastIdx].Power) {
1638       LastIdx = Idx;
1639       continue;
1640     }
1641
1642     // We want to multiply across all the factors with the same power so that
1643     // we can raise them to that power as a single entity. Build a mini tree
1644     // for that.
1645     SmallVector<Value *, 4> InnerProduct;
1646     InnerProduct.push_back(Factors[LastIdx].Base);
1647     do {
1648       InnerProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1649       ++Idx;
1650     } while (Idx < Size && Factors[Idx].Power == Factors[LastIdx].Power);
1651
1652     // Reset the base value of the first factor to the new expression tree.
1653     // We'll remove all the factors with the same power in a second pass.
1654     Value *M = Factors[LastIdx].Base = buildMultiplyTree(Builder, InnerProduct);
1655     if (Instruction *MI = dyn_cast<Instruction>(M))
1656       RedoInsts.insert(MI);
1657
1658     LastIdx = Idx;
1659   }
1660   // Unique factors with equal powers -- we've folded them into the first one's
1661   // base.
1662   Factors.erase(std::unique(Factors.begin(), Factors.end(),
1663                             Factor::PowerEqual()),
1664                 Factors.end());
1665
1666   // Iteratively collect the base of each factor with an add power into the
1667   // outer product, and halve each power in preparation for squaring the
1668   // expression.
1669   for (unsigned Idx = 0, Size = Factors.size(); Idx != Size; ++Idx) {
1670     if (Factors[Idx].Power & 1)
1671       OuterProduct.push_back(Factors[Idx].Base);
1672     Factors[Idx].Power >>= 1;
1673   }
1674   if (Factors[0].Power) {
1675     Value *SquareRoot = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1676     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1677     OuterProduct.push_back(SquareRoot);
1678   }
1679   if (OuterProduct.size() == 1)
1680     return OuterProduct.front();
1681
1682   Value *V = buildMultiplyTree(Builder, OuterProduct);
1683   return V;
1684 }
1685
1686 Value *Reassociate::OptimizeMul(BinaryOperator *I,
1687                                 SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1688   // We can only optimize the multiplies when there is a chain of more than
1689   // three, such that a balanced tree might require fewer total multiplies.
1690   if (Ops.size() < 4)
1691     return 0;
1692
1693   // Try to turn linear trees of multiplies without other uses of the
1694   // intermediate stages into minimal multiply DAGs with perfect sub-expression
1695   // re-use.
1696   SmallVector<Factor, 4> Factors;
1697   if (!collectMultiplyFactors(Ops, Factors))
1698     return 0; // All distinct factors, so nothing left for us to do.
1699
1700   IRBuilder<> Builder(I);
1701   Value *V = buildMinimalMultiplyDAG(Builder, Factors);
1702   if (Ops.empty())
1703     return V;
1704
1705   ValueEntry NewEntry = ValueEntry(getRank(V), V);
1706   Ops.insert(std::lower_bound(Ops.begin(), Ops.end(), NewEntry), NewEntry);
1707   return 0;
1708 }
1709
1710 Value *Reassociate::OptimizeExpression(BinaryOperator *I,
1711                                        SmallVectorImpl<ValueEntry> &Ops) {
1712   // Now that we have the linearized expression tree, try to optimize it.
1713   // Start by folding any constants that we found.
1714   Constant *Cst = 0;
1715   unsigned Opcode = I->getOpcode();
1716   while (!Ops.empty() && isa<Constant>(Ops.back().Op)) {
1717     Constant *C = cast<Constant>(Ops.pop_back_val().Op);
1718     Cst = Cst ? ConstantExpr::get(Opcode, C, Cst) : C;
1719   }
1720   // If there was nothing but constants then we are done.
1721   if (Ops.empty())
1722     return Cst;
1723
1724   // Put the combined constant back at the end of the operand list, except if
1725   // there is no point.  For example, an add of 0 gets dropped here, while a
1726   // multiplication by zero turns the whole expression into zero.
1727   if (Cst && Cst != ConstantExpr::getBinOpIdentity(Opcode, I->getType())) {
1728     if (Cst == ConstantExpr::getBinOpAbsorber(Opcode, I->getType()))
1729       return Cst;
1730     Ops.push_back(ValueEntry(0, Cst));
1731   }
1732
1733   if (Ops.size() == 1) return Ops[0].Op;
1734
1735   // Handle destructive annihilation due to identities between elements in the
1736   // argument list here.
1737   unsigned NumOps = Ops.size();
1738   switch (Opcode) {
1739   default: break;
1740   case Instruction::And:
1741   case Instruction::Or:
1742     if (Value *Result = OptimizeAndOrXor(Opcode, Ops))
1743       return Result;
1744     break;
1745
1746   case Instruction::Xor:
1747     if (Value *Result = OptimizeXor(I, Ops))
1748       return Result;
1749     break;
1750
1751   case Instruction::Add:
1752     if (Value *Result = OptimizeAdd(I, Ops))
1753       return Result;
1754     break;
1755
1756   case Instruction::Mul:
1757     if (Value *Result = OptimizeMul(I, Ops))
1758       return Result;
1759     break;
1760   }
1761
1762   if (Ops.size() != NumOps)
1763     return OptimizeExpression(I, Ops);
1764   return 0;
1765 }
1766
1767 /// EraseInst - Zap the given instruction, adding interesting operands to the
1768 /// work list.
1769 void Reassociate::EraseInst(Instruction *I) {
1770   assert(isInstructionTriviallyDead(I) && "Trivially dead instructions only!");
1771   SmallVector<Value*, 8> Ops(I->op_begin(), I->op_end());
1772   // Erase the dead instruction.
1773   ValueRankMap.erase(I);
1774   RedoInsts.remove(I);
1775   I->eraseFromParent();
1776   // Optimize its operands.
1777   SmallPtrSet<Instruction *, 8> Visited; // Detect self-referential nodes.
1778   for (unsigned i = 0, e = Ops.size(); i != e; ++i)
1779     if (Instruction *Op = dyn_cast<Instruction>(Ops[i])) {
1780       // If this is a node in an expression tree, climb to the expression root
1781       // and add that since that's where optimization actually happens.
1782       unsigned Opcode = Op->getOpcode();
1783       while (Op->hasOneUse() && Op->user_back()->getOpcode() == Opcode &&
1784              Visited.insert(Op))
1785         Op = Op->user_back();
1786       RedoInsts.insert(Op);
1787     }
1788 }
1789
1790 /// OptimizeInst - Inspect and optimize the given instruction. Note that erasing
1791 /// instructions is not allowed.
1792 void Reassociate::OptimizeInst(Instruction *I) {
1793   // Only consider operations that we understand.
1794   if (!isa<BinaryOperator>(I))
1795     return;
1796
1797   if (I->getOpcode() == Instruction::Shl &&
1798       isa<ConstantInt>(I->getOperand(1)))
1799     // If an operand of this shift is a reassociable multiply, or if the shift
1800     // is used by a reassociable multiply or add, turn into a multiply.
1801     if (isReassociableOp(I->getOperand(0), Instruction::Mul) ||
1802         (I->hasOneUse() &&
1803          (isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul) ||
1804           isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Add)))) {
1805       Instruction *NI = ConvertShiftToMul(I);
1806       RedoInsts.insert(I);
1807       MadeChange = true;
1808       I = NI;
1809     }
1810
1811   // Floating point binary operators are not associative, but we can still
1812   // commute (some) of them, to canonicalize the order of their operands.
1813   // This can potentially expose more CSE opportunities, and makes writing
1814   // other transformations simpler.
1815   if ((I->getType()->isFloatingPointTy() || I->getType()->isVectorTy())) {
1816     // FAdd and FMul can be commuted.
1817     if (I->getOpcode() != Instruction::FMul &&
1818         I->getOpcode() != Instruction::FAdd)
1819       return;
1820
1821     Value *LHS = I->getOperand(0);
1822     Value *RHS = I->getOperand(1);
1823     unsigned LHSRank = getRank(LHS);
1824     unsigned RHSRank = getRank(RHS);
1825
1826     // Sort the operands by rank.
1827     if (RHSRank < LHSRank) {
1828       I->setOperand(0, RHS);
1829       I->setOperand(1, LHS);
1830     }
1831
1832     return;
1833   }
1834
1835   // Do not reassociate boolean (i1) expressions.  We want to preserve the
1836   // original order of evaluation for short-circuited comparisons that
1837   // SimplifyCFG has folded to AND/OR expressions.  If the expression
1838   // is not further optimized, it is likely to be transformed back to a
1839   // short-circuited form for code gen, and the source order may have been
1840   // optimized for the most likely conditions.
1841   if (I->getType()->isIntegerTy(1))
1842     return;
1843
1844   // If this is a subtract instruction which is not already in negate form,
1845   // see if we can convert it to X+-Y.
1846   if (I->getOpcode() == Instruction::Sub) {
1847     if (ShouldBreakUpSubtract(I)) {
1848       Instruction *NI = BreakUpSubtract(I);
1849       RedoInsts.insert(I);
1850       MadeChange = true;
1851       I = NI;
1852     } else if (BinaryOperator::isNeg(I)) {
1853       // Otherwise, this is a negation.  See if the operand is a multiply tree
1854       // and if this is not an inner node of a multiply tree.
1855       if (isReassociableOp(I->getOperand(1), Instruction::Mul) &&
1856           (!I->hasOneUse() ||
1857            !isReassociableOp(I->user_back(), Instruction::Mul))) {
1858         Instruction *NI = LowerNegateToMultiply(I);
1859         RedoInsts.insert(I);
1860         MadeChange = true;
1861         I = NI;
1862       }
1863     }
1864   }
1865
1866   // If this instruction is an associative binary operator, process it.
1867   if (!I->isAssociative()) return;
1868   BinaryOperator *BO = cast<BinaryOperator>(I);
1869
1870   // If this is an interior node of a reassociable tree, ignore it until we
1871   // get to the root of the tree, to avoid N^2 analysis.
1872   unsigned Opcode = BO->getOpcode();
1873   if (BO->hasOneUse() && BO->user_back()->getOpcode() == Opcode)
1874     return;
1875
1876   // If this is an add tree that is used by a sub instruction, ignore it
1877   // until we process the subtract.
1878   if (BO->hasOneUse() && BO->getOpcode() == Instruction::Add &&
1879       cast<Instruction>(BO->user_back())->getOpcode() == Instruction::Sub)
1880     return;
1881
1882   ReassociateExpression(BO);
1883 }
1884
1885 void Reassociate::ReassociateExpression(BinaryOperator *I) {
1886
1887   // First, walk the expression tree, linearizing the tree, collecting the
1888   // operand information.
1889   SmallVector<RepeatedValue, 8> Tree;
1890   MadeChange |= LinearizeExprTree(I, Tree);
1891   SmallVector<ValueEntry, 8> Ops;
1892   Ops.reserve(Tree.size());
1893   for (unsigned i = 0, e = Tree.size(); i != e; ++i) {
1894     RepeatedValue E = Tree[i];
1895     Ops.append(E.second.getZExtValue(),
1896                ValueEntry(getRank(E.first), E.first));
1897   }
1898
1899   DEBUG(dbgs() << "RAIn:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1900
1901   // Now that we have linearized the tree to a list and have gathered all of
1902   // the operands and their ranks, sort the operands by their rank.  Use a
1903   // stable_sort so that values with equal ranks will have their relative
1904   // positions maintained (and so the compiler is deterministic).  Note that
1905   // this sorts so that the highest ranking values end up at the beginning of
1906   // the vector.
1907   std::stable_sort(Ops.begin(), Ops.end());
1908
1909   // OptimizeExpression - Now that we have the expression tree in a convenient
1910   // sorted form, optimize it globally if possible.
1911   if (Value *V = OptimizeExpression(I, Ops)) {
1912     if (V == I)
1913       // Self-referential expression in unreachable code.
1914       return;
1915     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1916     // eliminate it.
1917     DEBUG(dbgs() << "Reassoc to scalar: " << *V << '\n');
1918     I->replaceAllUsesWith(V);
1919     if (Instruction *VI = dyn_cast<Instruction>(V))
1920       VI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1921     RedoInsts.insert(I);
1922     ++NumAnnihil;
1923     return;
1924   }
1925
1926   // We want to sink immediates as deeply as possible except in the case where
1927   // this is a multiply tree used only by an add, and the immediate is a -1.
1928   // In this case we reassociate to put the negation on the outside so that we
1929   // can fold the negation into the add: (-X)*Y + Z -> Z-X*Y
1930   if (I->getOpcode() == Instruction::Mul && I->hasOneUse() &&
1931       cast<Instruction>(I->user_back())->getOpcode() == Instruction::Add &&
1932       isa<ConstantInt>(Ops.back().Op) &&
1933       cast<ConstantInt>(Ops.back().Op)->isAllOnesValue()) {
1934     ValueEntry Tmp = Ops.pop_back_val();
1935     Ops.insert(Ops.begin(), Tmp);
1936   }
1937
1938   DEBUG(dbgs() << "RAOut:\t"; PrintOps(I, Ops); dbgs() << '\n');
1939
1940   if (Ops.size() == 1) {
1941     if (Ops[0].Op == I)
1942       // Self-referential expression in unreachable code.
1943       return;
1944
1945     // This expression tree simplified to something that isn't a tree,
1946     // eliminate it.
1947     I->replaceAllUsesWith(Ops[0].Op);
1948     if (Instruction *OI = dyn_cast<Instruction>(Ops[0].Op))
1949       OI->setDebugLoc(I->getDebugLoc());
1950     RedoInsts.insert(I);
1951     return;
1952   }
1953
1954   // Now that we ordered and optimized the expressions, splat them back into
1955   // the expression tree, removing any unneeded nodes.
1956   RewriteExprTree(I, Ops);
1957 }
1958
1959 bool Reassociate::runOnFunction(Function &F) {
1960   if (skipOptnoneFunction(F))
1961     return false;
1962
1963   // Calculate the rank map for F
1964   BuildRankMap(F);
1965
1966   MadeChange = false;
1967   for (Function::iterator BI = F.begin(), BE = F.end(); BI != BE; ++BI) {
1968     // Optimize every instruction in the basic block.
1969     for (BasicBlock::iterator II = BI->begin(), IE = BI->end(); II != IE; )
1970       if (isInstructionTriviallyDead(II)) {
1971         EraseInst(II++);
1972       } else {
1973         OptimizeInst(II);
1974         assert(II->getParent() == BI && "Moved to a different block!");
1975         ++II;
1976       }
1977
1978     // If this produced extra instructions to optimize, handle them now.
1979     while (!RedoInsts.empty()) {
1980       Instruction *I = RedoInsts.pop_back_val();
1981       if (isInstructionTriviallyDead(I))
1982         EraseInst(I);
1983       else
1984         OptimizeInst(I);
1985     }
1986   }
1987
1988   // We are done with the rank map.
1989   RankMap.clear();
1990   ValueRankMap.clear();
1991
1992   return MadeChange;
1993 }