OSDN Git Service

f72a808
[android-x86/external-llvm.git] /
1 //===-- InductiveRangeCheckElimination.cpp - ------------------------------===//
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 // The InductiveRangeCheckElimination pass splits a loop's iteration space into
10 // three disjoint ranges.  It does that in a way such that the loop running in
11 // the middle loop provably does not need range checks. As an example, it will
12 // convert
13 //
14 //   len = < known positive >
15 //   for (i = 0; i < n; i++) {
16 //     if (0 <= i && i < len) {
17 //       do_something();
18 //     } else {
19 //       throw_out_of_bounds();
20 //     }
21 //   }
22 //
23 // to
24 //
25 //   len = < known positive >
26 //   limit = smin(n, len)
27 //   // no first segment
28 //   for (i = 0; i < limit; i++) {
29 //     if (0 <= i && i < len) { // this check is fully redundant
30 //       do_something();
31 //     } else {
32 //       throw_out_of_bounds();
33 //     }
34 //   }
35 //   for (i = limit; i < n; i++) {
36 //     if (0 <= i && i < len) {
37 //       do_something();
38 //     } else {
39 //       throw_out_of_bounds();
40 //     }
41 //   }
42 //===----------------------------------------------------------------------===//
43
44 #include "llvm/ADT/Optional.h"
45 #include "llvm/Analysis/BranchProbabilityInfo.h"
46 #include "llvm/Analysis/LoopInfo.h"
47 #include "llvm/Analysis/LoopPass.h"
48 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolution.h"
49 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpander.h"
50 #include "llvm/Analysis/ScalarEvolutionExpressions.h"
51 #include "llvm/IR/Dominators.h"
52 #include "llvm/IR/Function.h"
53 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
54 #include "llvm/IR/Instructions.h"
55 #include "llvm/IR/PatternMatch.h"
56 #include "llvm/Pass.h"
57 #include "llvm/Support/Debug.h"
58 #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
59 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
60 #include "llvm/Transforms/Utils/BasicBlockUtils.h"
61 #include "llvm/Transforms/Utils/Cloning.h"
62 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopSimplify.h"
63 #include "llvm/Transforms/Utils/LoopUtils.h"
64
65 using namespace llvm;
66
67 static cl::opt<unsigned> LoopSizeCutoff("irce-loop-size-cutoff", cl::Hidden,
68                                         cl::init(64));
69
70 static cl::opt<bool> PrintChangedLoops("irce-print-changed-loops", cl::Hidden,
71                                        cl::init(false));
72
73 static cl::opt<bool> PrintRangeChecks("irce-print-range-checks", cl::Hidden,
74                                       cl::init(false));
75
76 static cl::opt<int> MaxExitProbReciprocal("irce-max-exit-prob-reciprocal",
77                                           cl::Hidden, cl::init(10));
78
79 static cl::opt<bool> SkipProfitabilityChecks("irce-skip-profitability-checks",
80                                              cl::Hidden, cl::init(false));
81
82 static const char *ClonedLoopTag = "irce.loop.clone";
83
84 #define DEBUG_TYPE "irce"
85
86 namespace {
87
88 /// An inductive range check is conditional branch in a loop with
89 ///
90 ///  1. a very cold successor (i.e. the branch jumps to that successor very
91 ///     rarely)
92 ///
93 ///  and
94 ///
95 ///  2. a condition that is provably true for some contiguous range of values
96 ///     taken by the containing loop's induction variable.
97 ///
98 class InductiveRangeCheck {
99   // Classifies a range check
100   enum RangeCheckKind : unsigned {
101     // Range check of the form "0 <= I".
102     RANGE_CHECK_LOWER = 1,
103
104     // Range check of the form "I < L" where L is known positive.
105     RANGE_CHECK_UPPER = 2,
106
107     // The logical and of the RANGE_CHECK_LOWER and RANGE_CHECK_UPPER
108     // conditions.
109     RANGE_CHECK_BOTH = RANGE_CHECK_LOWER | RANGE_CHECK_UPPER,
110
111     // Unrecognized range check condition.
112     RANGE_CHECK_UNKNOWN = (unsigned)-1
113   };
114
115   static StringRef rangeCheckKindToStr(RangeCheckKind);
116
117   const SCEV *Offset = nullptr;
118   const SCEV *Scale = nullptr;
119   Value *Length = nullptr;
120   Use *CheckUse = nullptr;
121   RangeCheckKind Kind = RANGE_CHECK_UNKNOWN;
122
123   static RangeCheckKind parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
124                                             ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
125                                             Value *&Length);
126
127   static void
128   extractRangeChecksFromCond(Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
129                              SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
130                              SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited);
131
132 public:
133   const SCEV *getOffset() const { return Offset; }
134   const SCEV *getScale() const { return Scale; }
135   Value *getLength() const { return Length; }
136
137   void print(raw_ostream &OS) const {
138     OS << "InductiveRangeCheck:\n";
139     OS << "  Kind: " << rangeCheckKindToStr(Kind) << "\n";
140     OS << "  Offset: ";
141     Offset->print(OS);
142     OS << "  Scale: ";
143     Scale->print(OS);
144     OS << "  Length: ";
145     if (Length)
146       Length->print(OS);
147     else
148       OS << "(null)";
149     OS << "\n  CheckUse: ";
150     getCheckUse()->getUser()->print(OS);
151     OS << " Operand: " << getCheckUse()->getOperandNo() << "\n";
152   }
153
154   LLVM_DUMP_METHOD
155   void dump() {
156     print(dbgs());
157   }
158
159   Use *getCheckUse() const { return CheckUse; }
160
161   /// Represents an signed integer range [Range.getBegin(), Range.getEnd()).  If
162   /// R.getEnd() sle R.getBegin(), then R denotes the empty range.
163
164   class Range {
165     const SCEV *Begin;
166     const SCEV *End;
167
168   public:
169     Range(const SCEV *Begin, const SCEV *End) : Begin(Begin), End(End) {
170       assert(Begin->getType() == End->getType() && "ill-typed range!");
171     }
172
173     Type *getType() const { return Begin->getType(); }
174     const SCEV *getBegin() const { return Begin; }
175     const SCEV *getEnd() const { return End; }
176   };
177
178   /// This is the value the condition of the branch needs to evaluate to for the
179   /// branch to take the hot successor (see (1) above).
180   bool getPassingDirection() { return true; }
181
182   /// Computes a range for the induction variable (IndVar) in which the range
183   /// check is redundant and can be constant-folded away.  The induction
184   /// variable is not required to be the canonical {0,+,1} induction variable.
185   Optional<Range> computeSafeIterationSpace(ScalarEvolution &SE,
186                                             const SCEVAddRecExpr *IndVar) const;
187
188   /// Parse out a set of inductive range checks from \p BI and append them to \p
189   /// Checks.
190   ///
191   /// NB! There may be conditions feeding into \p BI that aren't inductive range
192   /// checks, and hence don't end up in \p Checks.
193   static void
194   extractRangeChecksFromBranch(BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE,
195                                BranchProbabilityInfo &BPI,
196                                SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks);
197 };
198
199 class InductiveRangeCheckElimination : public LoopPass {
200 public:
201   static char ID;
202   InductiveRangeCheckElimination() : LoopPass(ID) {
203     initializeInductiveRangeCheckEliminationPass(
204         *PassRegistry::getPassRegistry());
205   }
206
207   void getAnalysisUsage(AnalysisUsage &AU) const override {
208     AU.addRequired<BranchProbabilityInfoWrapperPass>();
209     getLoopAnalysisUsage(AU);
210   }
211
212   bool runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) override;
213 };
214
215 char InductiveRangeCheckElimination::ID = 0;
216 }
217
218 INITIALIZE_PASS_BEGIN(InductiveRangeCheckElimination, "irce",
219                       "Inductive range check elimination", false, false)
220 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(BranchProbabilityInfoWrapperPass)
221 INITIALIZE_PASS_DEPENDENCY(LoopPass)
222 INITIALIZE_PASS_END(InductiveRangeCheckElimination, "irce",
223                     "Inductive range check elimination", false, false)
224
225 StringRef InductiveRangeCheck::rangeCheckKindToStr(
226     InductiveRangeCheck::RangeCheckKind RCK) {
227   switch (RCK) {
228   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN:
229     return "RANGE_CHECK_UNKNOWN";
230
231   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UPPER:
232     return "RANGE_CHECK_UPPER";
233
234   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER:
235     return "RANGE_CHECK_LOWER";
236
237   case InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_BOTH:
238     return "RANGE_CHECK_BOTH";
239   }
240
241   llvm_unreachable("unknown range check type!");
242 }
243
244 /// Parse a single ICmp instruction, `ICI`, into a range check.  If `ICI` cannot
245 /// be interpreted as a range check, return `RANGE_CHECK_UNKNOWN` and set
246 /// `Index` and `Length` to `nullptr`.  Otherwise set `Index` to the value being
247 /// range checked, and set `Length` to the upper limit `Index` is being range
248 /// checked with if (and only if) the range check type is stronger or equal to
249 /// RANGE_CHECK_UPPER.
250 ///
251 InductiveRangeCheck::RangeCheckKind
252 InductiveRangeCheck::parseRangeCheckICmp(Loop *L, ICmpInst *ICI,
253                                          ScalarEvolution &SE, Value *&Index,
254                                          Value *&Length) {
255
256   auto IsNonNegativeAndNotLoopVarying = [&SE, L](Value *V) {
257     const SCEV *S = SE.getSCEV(V);
258     if (isa<SCEVCouldNotCompute>(S))
259       return false;
260
261     return SE.getLoopDisposition(S, L) == ScalarEvolution::LoopInvariant &&
262            SE.isKnownNonNegative(S);
263   };
264
265   using namespace llvm::PatternMatch;
266
267   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
268   Value *LHS = ICI->getOperand(0);
269   Value *RHS = ICI->getOperand(1);
270
271   switch (Pred) {
272   default:
273     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
274
275   case ICmpInst::ICMP_SLE:
276     std::swap(LHS, RHS);
277     LLVM_FALLTHROUGH;
278   case ICmpInst::ICMP_SGE:
279     if (match(RHS, m_ConstantInt<0>())) {
280       Index = LHS;
281       return RANGE_CHECK_LOWER;
282     }
283     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
284
285   case ICmpInst::ICMP_SLT:
286     std::swap(LHS, RHS);
287     LLVM_FALLTHROUGH;
288   case ICmpInst::ICMP_SGT:
289     if (match(RHS, m_ConstantInt<-1>())) {
290       Index = LHS;
291       return RANGE_CHECK_LOWER;
292     }
293
294     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
295       Index = RHS;
296       Length = LHS;
297       return RANGE_CHECK_UPPER;
298     }
299     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
300
301   case ICmpInst::ICMP_ULT:
302     std::swap(LHS, RHS);
303     LLVM_FALLTHROUGH;
304   case ICmpInst::ICMP_UGT:
305     if (IsNonNegativeAndNotLoopVarying(LHS)) {
306       Index = RHS;
307       Length = LHS;
308       return RANGE_CHECK_BOTH;
309     }
310     return RANGE_CHECK_UNKNOWN;
311   }
312
313   llvm_unreachable("default clause returns!");
314 }
315
316 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(
317     Loop *L, ScalarEvolution &SE, Use &ConditionUse,
318     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks,
319     SmallPtrSetImpl<Value *> &Visited) {
320   using namespace llvm::PatternMatch;
321
322   Value *Condition = ConditionUse.get();
323   if (!Visited.insert(Condition).second)
324     return;
325
326   if (match(Condition, m_And(m_Value(), m_Value()))) {
327     SmallVector<InductiveRangeCheck, 8> SubChecks;
328     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(0),
329                                SubChecks, Visited);
330     extractRangeChecksFromCond(L, SE, cast<User>(Condition)->getOperandUse(1),
331                                SubChecks, Visited);
332
333     if (SubChecks.size() == 2) {
334       // Handle a special case where we know how to merge two checks separately
335       // checking the upper and lower bounds into a full range check.
336       const auto &RChkA = SubChecks[0];
337       const auto &RChkB = SubChecks[1];
338       if ((RChkA.Length == RChkB.Length || !RChkA.Length || !RChkB.Length) &&
339           RChkA.Offset == RChkB.Offset && RChkA.Scale == RChkB.Scale) {
340
341         // If RChkA.Kind == RChkB.Kind then we just found two identical checks.
342         // But if one of them is a RANGE_CHECK_LOWER and the other is a
343         // RANGE_CHECK_UPPER (only possibility if they're different) then
344         // together they form a RANGE_CHECK_BOTH.
345         SubChecks[0].Kind =
346             (InductiveRangeCheck::RangeCheckKind)(RChkA.Kind | RChkB.Kind);
347         SubChecks[0].Length = RChkA.Length ? RChkA.Length : RChkB.Length;
348         SubChecks[0].CheckUse = &ConditionUse;
349
350         // We updated one of the checks in place, now erase the other.
351         SubChecks.pop_back();
352       }
353     }
354
355     Checks.insert(Checks.end(), SubChecks.begin(), SubChecks.end());
356     return;
357   }
358
359   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(Condition);
360   if (!ICI)
361     return;
362
363   Value *Length = nullptr, *Index;
364   auto RCKind = parseRangeCheckICmp(L, ICI, SE, Index, Length);
365   if (RCKind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_UNKNOWN)
366     return;
367
368   const auto *IndexAddRec = dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(Index));
369   bool IsAffineIndex =
370       IndexAddRec && (IndexAddRec->getLoop() == L) && IndexAddRec->isAffine();
371
372   if (!IsAffineIndex)
373     return;
374
375   InductiveRangeCheck IRC;
376   IRC.Length = Length;
377   IRC.Offset = IndexAddRec->getStart();
378   IRC.Scale = IndexAddRec->getStepRecurrence(SE);
379   IRC.CheckUse = &ConditionUse;
380   IRC.Kind = RCKind;
381   Checks.push_back(IRC);
382 }
383
384 void InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(
385     BranchInst *BI, Loop *L, ScalarEvolution &SE, BranchProbabilityInfo &BPI,
386     SmallVectorImpl<InductiveRangeCheck> &Checks) {
387
388   if (BI->isUnconditional() || BI->getParent() == L->getLoopLatch())
389     return;
390
391   BranchProbability LikelyTaken(15, 16);
392
393   if (!SkipProfitabilityChecks &&
394       BPI.getEdgeProbability(BI->getParent(), (unsigned)0) < LikelyTaken)
395     return;
396
397   SmallPtrSet<Value *, 8> Visited;
398   InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromCond(L, SE, BI->getOperandUse(0),
399                                                   Checks, Visited);
400 }
401
402 // Add metadata to the loop L to disable loop optimizations. Callers need to
403 // confirm that optimizing loop L is not beneficial.
404 static void DisableAllLoopOptsOnLoop(Loop &L) {
405   // We do not care about any existing loopID related metadata for L, since we
406   // are setting all loop metadata to false.
407   LLVMContext &Context = L.getHeader()->getContext();
408   // Reserve first location for self reference to the LoopID metadata node.
409   MDNode *Dummy = MDNode::get(Context, {});
410   MDNode *DisableUnroll = MDNode::get(
411       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.unroll.disable")});
412   Metadata *FalseVal =
413       ConstantAsMetadata::get(ConstantInt::get(Type::getInt1Ty(Context), 0));
414   MDNode *DisableVectorize = MDNode::get(
415       Context,
416       {MDString::get(Context, "llvm.loop.vectorize.enable"), FalseVal});
417   MDNode *DisableLICMVersioning = MDNode::get(
418       Context, {MDString::get(Context, "llvm.loop.licm_versioning.disable")});
419   MDNode *DisableDistribution= MDNode::get(
420       Context,
421       {MDString::get(Context, "llvm.loop.distribute.enable"), FalseVal});
422   MDNode *NewLoopID =
423       MDNode::get(Context, {Dummy, DisableUnroll, DisableVectorize,
424                             DisableLICMVersioning, DisableDistribution});
425   // Set operand 0 to refer to the loop id itself.
426   NewLoopID->replaceOperandWith(0, NewLoopID);
427   L.setLoopID(NewLoopID);
428 }
429
430 namespace {
431
432 // Keeps track of the structure of a loop.  This is similar to llvm::Loop,
433 // except that it is more lightweight and can track the state of a loop through
434 // changing and potentially invalid IR.  This structure also formalizes the
435 // kinds of loops we can deal with -- ones that have a single latch that is also
436 // an exiting block *and* have a canonical induction variable.
437 struct LoopStructure {
438   const char *Tag;
439
440   BasicBlock *Header;
441   BasicBlock *Latch;
442
443   // `Latch's terminator instruction is `LatchBr', and it's `LatchBrExitIdx'th
444   // successor is `LatchExit', the exit block of the loop.
445   BranchInst *LatchBr;
446   BasicBlock *LatchExit;
447   unsigned LatchBrExitIdx;
448
449   // The loop represented by this instance of LoopStructure is semantically
450   // equivalent to:
451   //
452   // intN_ty inc = IndVarIncreasing ? 1 : -1;
453   // pred_ty predicate = IndVarIncreasing
454   //                         ? IsSignedPredicate ? ICMP_SLT : ICMP_ULT
455   //                         : IsSignedPredicate ? ICMP_SGT : ICMP_UGT;
456   //
457   //
458   // for (intN_ty iv = IndVarStart; predicate(IndVarBase, LoopExitAt);
459   //      iv = IndVarNext)
460   //   ... body ...
461   //
462   // Here IndVarBase is either current or next value of the induction variable.
463   // in the former case, IsIndVarNext = false and IndVarBase points to the
464   // Phi node of the induction variable. Otherwise, IsIndVarNext = true and
465   // IndVarBase points to IV increment instruction.
466   //
467
468   Value *IndVarBase;
469   Value *IndVarStart;
470   Value *IndVarStep;
471   Value *LoopExitAt;
472   bool IndVarIncreasing;
473   bool IsSignedPredicate;
474   bool IsIndVarNext;
475
476   LoopStructure()
477       : Tag(""), Header(nullptr), Latch(nullptr), LatchBr(nullptr),
478         LatchExit(nullptr), LatchBrExitIdx(-1), IndVarBase(nullptr),
479         IndVarStart(nullptr), IndVarStep(nullptr), LoopExitAt(nullptr),
480         IndVarIncreasing(false), IsSignedPredicate(true), IsIndVarNext(false) {}
481
482   template <typename M> LoopStructure map(M Map) const {
483     LoopStructure Result;
484     Result.Tag = Tag;
485     Result.Header = cast<BasicBlock>(Map(Header));
486     Result.Latch = cast<BasicBlock>(Map(Latch));
487     Result.LatchBr = cast<BranchInst>(Map(LatchBr));
488     Result.LatchExit = cast<BasicBlock>(Map(LatchExit));
489     Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
490     Result.IndVarBase = Map(IndVarBase);
491     Result.IndVarStart = Map(IndVarStart);
492     Result.IndVarStep = Map(IndVarStep);
493     Result.LoopExitAt = Map(LoopExitAt);
494     Result.IndVarIncreasing = IndVarIncreasing;
495     Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
496     Result.IsIndVarNext = IsIndVarNext;
497     return Result;
498   }
499
500   static Optional<LoopStructure> parseLoopStructure(ScalarEvolution &,
501                                                     BranchProbabilityInfo &BPI,
502                                                     Loop &,
503                                                     const char *&);
504 };
505
506 /// This class is used to constrain loops to run within a given iteration space.
507 /// The algorithm this class implements is given a Loop and a range [Begin,
508 /// End).  The algorithm then tries to break out a "main loop" out of the loop
509 /// it is given in a way that the "main loop" runs with the induction variable
510 /// in a subset of [Begin, End).  The algorithm emits appropriate pre and post
511 /// loops to run any remaining iterations.  The pre loop runs any iterations in
512 /// which the induction variable is < Begin, and the post loop runs any
513 /// iterations in which the induction variable is >= End.
514 ///
515 class LoopConstrainer {
516   // The representation of a clone of the original loop we started out with.
517   struct ClonedLoop {
518     // The cloned blocks
519     std::vector<BasicBlock *> Blocks;
520
521     // `Map` maps values in the clonee into values in the cloned version
522     ValueToValueMapTy Map;
523
524     // An instance of `LoopStructure` for the cloned loop
525     LoopStructure Structure;
526   };
527
528   // Result of rewriting the range of a loop.  See changeIterationSpaceEnd for
529   // more details on what these fields mean.
530   struct RewrittenRangeInfo {
531     BasicBlock *PseudoExit;
532     BasicBlock *ExitSelector;
533     std::vector<PHINode *> PHIValuesAtPseudoExit;
534     PHINode *IndVarEnd;
535
536     RewrittenRangeInfo()
537         : PseudoExit(nullptr), ExitSelector(nullptr), IndVarEnd(nullptr) {}
538   };
539
540   // Calculated subranges we restrict the iteration space of the main loop to.
541   // See the implementation of `calculateSubRanges' for more details on how
542   // these fields are computed.  `LowLimit` is None if there is no restriction
543   // on low end of the restricted iteration space of the main loop.  `HighLimit`
544   // is None if there is no restriction on high end of the restricted iteration
545   // space of the main loop.
546
547   struct SubRanges {
548     Optional<const SCEV *> LowLimit;
549     Optional<const SCEV *> HighLimit;
550   };
551
552   // A utility function that does a `replaceUsesOfWith' on the incoming block
553   // set of a `PHINode' -- replaces instances of `Block' in the `PHINode's
554   // incoming block list with `ReplaceBy'.
555   static void replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
556                               BasicBlock *ReplaceBy);
557
558   // Compute a safe set of limits for the main loop to run in -- effectively the
559   // intersection of `Range' and the iteration space of the original loop.
560   // Return None if unable to compute the set of subranges.
561   //
562   Optional<SubRanges> calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const;
563
564   // Clone `OriginalLoop' and return the result in CLResult.  The IR after
565   // running `cloneLoop' is well formed except for the PHI nodes in CLResult --
566   // the PHI nodes say that there is an incoming edge from `OriginalPreheader`
567   // but there is no such edge.
568   //
569   void cloneLoop(ClonedLoop &CLResult, const char *Tag) const;
570
571   // Create the appropriate loop structure needed to describe a cloned copy of
572   // `Original`.  The clone is described by `VM`.
573   Loop *createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
574                                   ValueToValueMapTy &VM);
575
576   // Rewrite the iteration space of the loop denoted by (LS, Preheader). The
577   // iteration space of the rewritten loop ends at ExitLoopAt.  The start of the
578   // iteration space is not changed.  `ExitLoopAt' is assumed to be slt
579   // `OriginalHeaderCount'.
580   //
581   // If there are iterations left to execute, control is made to jump to
582   // `ContinuationBlock', otherwise they take the normal loop exit.  The
583   // returned `RewrittenRangeInfo' object is populated as follows:
584   //
585   //  .PseudoExit is a basic block that unconditionally branches to
586   //      `ContinuationBlock'.
587   //
588   //  .ExitSelector is a basic block that decides, on exit from the loop,
589   //      whether to branch to the "true" exit or to `PseudoExit'.
590   //
591   //  .PHIValuesAtPseudoExit are PHINodes in `PseudoExit' that compute the value
592   //      for each PHINode in the loop header on taking the pseudo exit.
593   //
594   // After changeIterationSpaceEnd, `Preheader' is no longer a legitimate
595   // preheader because it is made to branch to the loop header only
596   // conditionally.
597   //
598   RewrittenRangeInfo
599   changeIterationSpaceEnd(const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader,
600                           Value *ExitLoopAt,
601                           BasicBlock *ContinuationBlock) const;
602
603   // The loop denoted by `LS' has `OldPreheader' as its preheader.  This
604   // function creates a new preheader for `LS' and returns it.
605   //
606   BasicBlock *createPreheader(const LoopStructure &LS, BasicBlock *OldPreheader,
607                               const char *Tag) const;
608
609   // `ContinuationBlockAndPreheader' was the continuation block for some call to
610   // `changeIterationSpaceEnd' and is the preheader to the loop denoted by `LS'.
611   // This function rewrites the PHI nodes in `LS.Header' to start with the
612   // correct value.
613   void rewriteIncomingValuesForPHIs(
614       LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlockAndPreheader,
615       const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const;
616
617   // Even though we do not preserve any passes at this time, we at least need to
618   // keep the parent loop structure consistent.  The `LPPassManager' seems to
619   // verify this after running a loop pass.  This function adds the list of
620   // blocks denoted by BBs to this loops parent loop if required.
621   void addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs);
622
623   // Some global state.
624   Function &F;
625   LLVMContext &Ctx;
626   ScalarEvolution &SE;
627   DominatorTree &DT;
628   LPPassManager &LPM;
629   LoopInfo &LI;
630
631   // Information about the original loop we started out with.
632   Loop &OriginalLoop;
633   const SCEV *LatchTakenCount;
634   BasicBlock *OriginalPreheader;
635
636   // The preheader of the main loop.  This may or may not be different from
637   // `OriginalPreheader'.
638   BasicBlock *MainLoopPreheader;
639
640   // The range we need to run the main loop in.
641   InductiveRangeCheck::Range Range;
642
643   // The structure of the main loop (see comment at the beginning of this class
644   // for a definition)
645   LoopStructure MainLoopStructure;
646
647 public:
648   LoopConstrainer(Loop &L, LoopInfo &LI, LPPassManager &LPM,
649                   const LoopStructure &LS, ScalarEvolution &SE,
650                   DominatorTree &DT, InductiveRangeCheck::Range R)
651       : F(*L.getHeader()->getParent()), Ctx(L.getHeader()->getContext()),
652         SE(SE), DT(DT), LPM(LPM), LI(LI), OriginalLoop(L),
653         LatchTakenCount(nullptr), OriginalPreheader(nullptr),
654         MainLoopPreheader(nullptr), Range(R), MainLoopStructure(LS) {}
655
656   // Entry point for the algorithm.  Returns true on success.
657   bool run();
658 };
659
660 }
661
662 void LoopConstrainer::replacePHIBlock(PHINode *PN, BasicBlock *Block,
663                                       BasicBlock *ReplaceBy) {
664   for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i != e; ++i)
665     if (PN->getIncomingBlock(i) == Block)
666       PN->setIncomingBlock(i, ReplaceBy);
667 }
668
669 static bool CanBeMax(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S, bool Signed) {
670   APInt Max = Signed ?
671       APInt::getSignedMaxValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth()) :
672       APInt::getMaxValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
673   return SE.getSignedRange(S).contains(Max) &&
674          SE.getUnsignedRange(S).contains(Max);
675 }
676
677 static bool SumCanReachMax(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S1, const SCEV *S2,
678                            bool Signed) {
679   // S1 < INT_MAX - S2 ===> S1 + S2 < INT_MAX.
680   assert(SE.isKnownNonNegative(S2) &&
681          "We expected the 2nd arg to be non-negative!");
682   const SCEV *Max = SE.getConstant(
683       Signed ? APInt::getSignedMaxValue(
684                    cast<IntegerType>(S1->getType())->getBitWidth())
685              : APInt::getMaxValue(
686                    cast<IntegerType>(S1->getType())->getBitWidth()));
687   const SCEV *CapForS1 = SE.getMinusSCEV(Max, S2);
688   return !SE.isKnownPredicate(Signed ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT,
689                               S1, CapForS1);
690 }
691
692 static bool CanBeMin(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S, bool Signed) {
693   APInt Min = Signed ?
694       APInt::getSignedMinValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth()) :
695       APInt::getMinValue(cast<IntegerType>(S->getType())->getBitWidth());
696   return SE.getSignedRange(S).contains(Min) &&
697          SE.getUnsignedRange(S).contains(Min);
698 }
699
700 static bool SumCanReachMin(ScalarEvolution &SE, const SCEV *S1, const SCEV *S2,
701                            bool Signed) {
702   // S1 > INT_MIN - S2 ===> S1 + S2 > INT_MIN.
703   assert(SE.isKnownNonPositive(S2) &&
704          "We expected the 2nd arg to be non-positive!");
705   const SCEV *Max = SE.getConstant(
706       Signed ? APInt::getSignedMinValue(
707                    cast<IntegerType>(S1->getType())->getBitWidth())
708              : APInt::getMinValue(
709                    cast<IntegerType>(S1->getType())->getBitWidth()));
710   const SCEV *CapForS1 = SE.getMinusSCEV(Max, S2);
711   return !SE.isKnownPredicate(Signed ? ICmpInst::ICMP_SGT : ICmpInst::ICMP_UGT,
712                               S1, CapForS1);
713 }
714
715 Optional<LoopStructure>
716 LoopStructure::parseLoopStructure(ScalarEvolution &SE,
717                                   BranchProbabilityInfo &BPI,
718                                   Loop &L, const char *&FailureReason) {
719   if (!L.isLoopSimplifyForm()) {
720     FailureReason = "loop not in LoopSimplify form";
721     return None;
722   }
723
724   BasicBlock *Latch = L.getLoopLatch();
725   assert(Latch && "Simplified loops only have one latch!");
726
727   if (Latch->getTerminator()->getMetadata(ClonedLoopTag)) {
728     FailureReason = "loop has already been cloned";
729     return None;
730   }
731
732   if (!L.isLoopExiting(Latch)) {
733     FailureReason = "no loop latch";
734     return None;
735   }
736
737   BasicBlock *Header = L.getHeader();
738   BasicBlock *Preheader = L.getLoopPreheader();
739   if (!Preheader) {
740     FailureReason = "no preheader";
741     return None;
742   }
743
744   BranchInst *LatchBr = dyn_cast<BranchInst>(Latch->getTerminator());
745   if (!LatchBr || LatchBr->isUnconditional()) {
746     FailureReason = "latch terminator not conditional branch";
747     return None;
748   }
749
750   unsigned LatchBrExitIdx = LatchBr->getSuccessor(0) == Header ? 1 : 0;
751
752   BranchProbability ExitProbability =
753     BPI.getEdgeProbability(LatchBr->getParent(), LatchBrExitIdx);
754
755   if (!SkipProfitabilityChecks &&
756       ExitProbability > BranchProbability(1, MaxExitProbReciprocal)) {
757     FailureReason = "short running loop, not profitable";
758     return None;
759   }
760
761   ICmpInst *ICI = dyn_cast<ICmpInst>(LatchBr->getCondition());
762   if (!ICI || !isa<IntegerType>(ICI->getOperand(0)->getType())) {
763     FailureReason = "latch terminator branch not conditional on integral icmp";
764     return None;
765   }
766
767   const SCEV *LatchCount = SE.getExitCount(&L, Latch);
768   if (isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchCount)) {
769     FailureReason = "could not compute latch count";
770     return None;
771   }
772
773   ICmpInst::Predicate Pred = ICI->getPredicate();
774   Value *LeftValue = ICI->getOperand(0);
775   const SCEV *LeftSCEV = SE.getSCEV(LeftValue);
776   IntegerType *IndVarTy = cast<IntegerType>(LeftValue->getType());
777
778   Value *RightValue = ICI->getOperand(1);
779   const SCEV *RightSCEV = SE.getSCEV(RightValue);
780
781   // We canonicalize `ICI` such that `LeftSCEV` is an add recurrence.
782   if (!isa<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV)) {
783     if (isa<SCEVAddRecExpr>(RightSCEV)) {
784       std::swap(LeftSCEV, RightSCEV);
785       std::swap(LeftValue, RightValue);
786       Pred = ICmpInst::getSwappedPredicate(Pred);
787     } else {
788       FailureReason = "no add recurrences in the icmp";
789       return None;
790     }
791   }
792
793   auto HasNoSignedWrap = [&](const SCEVAddRecExpr *AR) {
794     if (AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW))
795       return true;
796
797     IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(AR->getType());
798     IntegerType *WideTy =
799         IntegerType::get(Ty->getContext(), Ty->getBitWidth() * 2);
800
801     const SCEVAddRecExpr *ExtendAfterOp =
802         dyn_cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSignExtendExpr(AR, WideTy));
803     if (ExtendAfterOp) {
804       const SCEV *ExtendedStart = SE.getSignExtendExpr(AR->getStart(), WideTy);
805       const SCEV *ExtendedStep =
806           SE.getSignExtendExpr(AR->getStepRecurrence(SE), WideTy);
807
808       bool NoSignedWrap = ExtendAfterOp->getStart() == ExtendedStart &&
809                           ExtendAfterOp->getStepRecurrence(SE) == ExtendedStep;
810
811       if (NoSignedWrap)
812         return true;
813     }
814
815     // We may have proved this when computing the sign extension above.
816     return AR->getNoWrapFlags(SCEV::FlagNSW) != SCEV::FlagAnyWrap;
817   };
818
819   // Here we check whether the suggested AddRec is an induction variable that
820   // can be handled (i.e. with known constant step), and if yes, calculate its
821   // step and identify whether it is increasing or decreasing.
822   auto IsInductionVar = [&](const SCEVAddRecExpr *AR, bool &IsIncreasing,
823                             ConstantInt *&StepCI) {
824     if (!AR->isAffine())
825       return false;
826
827     // Currently we only work with induction variables that have been proved to
828     // not wrap.  This restriction can potentially be lifted in the future.
829
830     if (!HasNoSignedWrap(AR))
831       return false;
832
833     if (const SCEVConstant *StepExpr =
834             dyn_cast<SCEVConstant>(AR->getStepRecurrence(SE))) {
835       StepCI = StepExpr->getValue();
836       assert(!StepCI->isZero() && "Zero step?");
837       IsIncreasing = !StepCI->isNegative();
838       return true;
839     }
840
841     return false;
842   };
843
844   // `ICI` can either be a comparison against IV or a comparison of IV.next.
845   // Depending on the interpretation, we calculate the start value differently.
846
847   // Pair {IndVarBase; IsIndVarNext} semantically designates whether the latch
848   // comparisons happens against the IV before or after its value is
849   // incremented. Two valid combinations for them are:
850   //
851   // 1) { phi [ iv.start, preheader ], [ iv.next, latch ]; false },
852   // 2) { iv.next; true }.
853   //
854   // The latch comparison happens against IndVarBase which can be either current
855   // or next value of the induction variable.
856   const SCEVAddRecExpr *IndVarBase = cast<SCEVAddRecExpr>(LeftSCEV);
857   bool IsIncreasing = false;
858   bool IsSignedPredicate = true;
859   bool IsIndVarNext = false;
860   ConstantInt *StepCI;
861   if (!IsInductionVar(IndVarBase, IsIncreasing, StepCI)) {
862     FailureReason = "LHS in icmp not induction variable";
863     return None;
864   }
865
866   const SCEV *IndVarStart = nullptr;
867   // TODO: Currently we only handle comparison against IV, but we can extend
868   // this analysis to be able to deal with comparison against sext(iv) and such.
869   if (isa<PHINode>(LeftValue) &&
870       cast<PHINode>(LeftValue)->getParent() == Header)
871     // The comparison is made against current IV value.
872     IndVarStart = IndVarBase->getStart();
873   else {
874     // Assume that the comparison is made against next IV value.
875     const SCEV *StartNext = IndVarBase->getStart();
876     const SCEV *Addend = SE.getNegativeSCEV(IndVarBase->getStepRecurrence(SE));
877     IndVarStart = SE.getAddExpr(StartNext, Addend);
878     IsIndVarNext = true;
879   }
880   const SCEV *Step = SE.getSCEV(StepCI);
881
882   ConstantInt *One = ConstantInt::get(IndVarTy, 1);
883   if (IsIncreasing) {
884     bool DecreasedRightValueByOne = false;
885     if (StepCI->isOne()) {
886       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
887       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
888         // while (++i != len) {         while (++i < len) {
889         //   ...                 --->     ...
890         // }                            }
891         // If both parts are known non-negative, it is profitable to use
892         // unsigned comparison in increasing loop. This allows us to make the
893         // comparison check against "RightSCEV + 1" more optimistic.
894         if (SE.isKnownNonNegative(IndVarStart) &&
895             SE.isKnownNonNegative(RightSCEV))
896           Pred = ICmpInst::ICMP_ULT;
897         else
898           Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
899       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0 &&
900                !CanBeMin(SE, RightSCEV, /* IsSignedPredicate */ true)) {
901         // while (true) {               while (true) {
902         //   if (++i == len)     --->     if (++i > len - 1)
903         //     break;                       break;
904         //   ...                          ...
905         // }                            }
906         // TODO: Insert ICMP_UGT if both are non-negative?
907         Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
908         RightSCEV = SE.getMinusSCEV(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
909         DecreasedRightValueByOne = true;
910       }
911     }
912
913     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
914     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
915     bool FoundExpectedPred =
916         (LTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (GTPred && LatchBrExitIdx == 0);
917
918     if (!FoundExpectedPred) {
919       FailureReason = "expected icmp slt semantically, found something else";
920       return None;
921     }
922
923     IsSignedPredicate =
924         Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_SGT;
925     // The predicate that we need to check that the induction variable lies
926     // within bounds.
927     ICmpInst::Predicate BoundPred =
928         IsSignedPredicate ? CmpInst::ICMP_SLT : CmpInst::ICMP_ULT;
929
930     if (LatchBrExitIdx == 0) {
931       const SCEV *StepMinusOne = SE.getMinusSCEV(Step,
932                                                  SE.getOne(Step->getType()));
933       if (SumCanReachMax(SE, RightSCEV, StepMinusOne, IsSignedPredicate)) {
934         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
935         // remember that the icmp was an slt and not an sle.
936         FailureReason = "limit may overflow when coercing le to lt";
937         return None;
938       }
939
940       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(
941               &L, BoundPred, IndVarStart,
942               SE.getAddExpr(RightSCEV, Step))) {
943         FailureReason = "Induction variable start not bounded by upper limit";
944         return None;
945       }
946
947       // We need to increase the right value unless we have already decreased
948       // it virtually when we replaced EQ with SGT.
949       if (!DecreasedRightValueByOne) {
950         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
951         RightValue = B.CreateAdd(RightValue, One);
952       }
953     } else {
954       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(&L, BoundPred, IndVarStart, RightSCEV)) {
955         FailureReason = "Induction variable start not bounded by upper limit";
956         return None;
957       }
958       assert(!DecreasedRightValueByOne &&
959              "Right value can be decreased only for LatchBrExitIdx == 0!");
960     }
961   } else {
962     bool IncreasedRightValueByOne = false;
963     if (StepCI->isMinusOne()) {
964       // Try to turn eq/ne predicates to those we can work with.
965       if (Pred == ICmpInst::ICMP_NE && LatchBrExitIdx == 1)
966         // while (--i != len) {         while (--i > len) {
967         //   ...                 --->     ...
968         // }                            }
969         // We intentionally don't turn the predicate into UGT even if we know
970         // that both operands are non-negative, because it will only pessimize
971         // our check against "RightSCEV - 1".
972         Pred = ICmpInst::ICMP_SGT;
973       else if (Pred == ICmpInst::ICMP_EQ && LatchBrExitIdx == 0 &&
974                !CanBeMax(SE, RightSCEV, /* IsSignedPredicate */ true)) {
975         // while (true) {               while (true) {
976         //   if (--i == len)     --->     if (--i < len + 1)
977         //     break;                       break;
978         //   ...                          ...
979         // }                            }
980         // TODO: Insert ICMP_ULT if both are non-negative?
981         Pred = ICmpInst::ICMP_SLT;
982         RightSCEV = SE.getAddExpr(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType()));
983         IncreasedRightValueByOne = true;
984       }
985     }
986
987     bool LTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_ULT);
988     bool GTPred = (Pred == ICmpInst::ICMP_SGT || Pred == ICmpInst::ICMP_UGT);
989
990     bool FoundExpectedPred =
991         (GTPred && LatchBrExitIdx == 1) || (LTPred && LatchBrExitIdx == 0);
992
993     if (!FoundExpectedPred) {
994       FailureReason = "expected icmp sgt semantically, found something else";
995       return None;
996     }
997
998     IsSignedPredicate =
999         Pred == ICmpInst::ICMP_SLT || Pred == ICmpInst::ICMP_SGT;
1000     // The predicate that we need to check that the induction variable lies
1001     // within bounds.
1002     ICmpInst::Predicate BoundPred =
1003         IsSignedPredicate ? CmpInst::ICMP_SGT : CmpInst::ICMP_UGT;
1004
1005     if (LatchBrExitIdx == 0) {
1006       const SCEV *StepPlusOne = SE.getAddExpr(Step, SE.getOne(Step->getType()));
1007       if (SumCanReachMin(SE, RightSCEV, StepPlusOne, IsSignedPredicate)) {
1008         // TODO: this restriction is easily removable -- we just have to
1009         // remember that the icmp was an sgt and not an sge.
1010         FailureReason = "limit may overflow when coercing ge to gt";
1011         return None;
1012       }
1013
1014       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(
1015               &L, BoundPred, IndVarStart,
1016               SE.getMinusSCEV(RightSCEV, SE.getOne(RightSCEV->getType())))) {
1017         FailureReason = "Induction variable start not bounded by lower limit";
1018         return None;
1019       }
1020
1021       // We need to decrease the right value unless we have already increased
1022       // it virtually when we replaced EQ with SLT.
1023       if (!IncreasedRightValueByOne) {
1024         IRBuilder<> B(Preheader->getTerminator());
1025         RightValue = B.CreateSub(RightValue, One);
1026       }
1027     } else {
1028       if (!SE.isLoopEntryGuardedByCond(&L, BoundPred, IndVarStart, RightSCEV)) {
1029         FailureReason = "Induction variable start not bounded by lower limit";
1030         return None;
1031       }
1032       assert(!IncreasedRightValueByOne &&
1033              "Right value can be increased only for LatchBrExitIdx == 0!");
1034     }
1035   }
1036   BasicBlock *LatchExit = LatchBr->getSuccessor(LatchBrExitIdx);
1037
1038   assert(SE.getLoopDisposition(LatchCount, &L) ==
1039              ScalarEvolution::LoopInvariant &&
1040          "loop variant exit count doesn't make sense!");
1041
1042   assert(!L.contains(LatchExit) && "expected an exit block!");
1043   const DataLayout &DL = Preheader->getModule()->getDataLayout();
1044   Value *IndVarStartV =
1045       SCEVExpander(SE, DL, "irce")
1046           .expandCodeFor(IndVarStart, IndVarTy, Preheader->getTerminator());
1047   IndVarStartV->setName("indvar.start");
1048
1049   LoopStructure Result;
1050
1051   Result.Tag = "main";
1052   Result.Header = Header;
1053   Result.Latch = Latch;
1054   Result.LatchBr = LatchBr;
1055   Result.LatchExit = LatchExit;
1056   Result.LatchBrExitIdx = LatchBrExitIdx;
1057   Result.IndVarStart = IndVarStartV;
1058   Result.IndVarStep = StepCI;
1059   Result.IndVarBase = LeftValue;
1060   Result.IndVarIncreasing = IsIncreasing;
1061   Result.LoopExitAt = RightValue;
1062   Result.IsSignedPredicate = IsSignedPredicate;
1063   Result.IsIndVarNext = IsIndVarNext;
1064
1065   FailureReason = nullptr;
1066
1067   return Result;
1068 }
1069
1070 Optional<LoopConstrainer::SubRanges>
1071 LoopConstrainer::calculateSubRanges(bool IsSignedPredicate) const {
1072   IntegerType *Ty = cast<IntegerType>(LatchTakenCount->getType());
1073
1074   if (Range.getType() != Ty)
1075     return None;
1076
1077   LoopConstrainer::SubRanges Result;
1078
1079   // I think we can be more aggressive here and make this nuw / nsw if the
1080   // addition that feeds into the icmp for the latch's terminating branch is nuw
1081   // / nsw.  In any case, a wrapping 2's complement addition is safe.
1082   const SCEV *Start = SE.getSCEV(MainLoopStructure.IndVarStart);
1083   const SCEV *End = SE.getSCEV(MainLoopStructure.LoopExitAt);
1084
1085   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1086
1087   // We compute `Smallest` and `Greatest` such that [Smallest, Greatest), or
1088   // [Smallest, GreatestSeen] is the range of values the induction variable
1089   // takes.
1090
1091   const SCEV *Smallest = nullptr, *Greatest = nullptr, *GreatestSeen = nullptr;
1092
1093   const SCEV *One = SE.getOne(Ty);
1094   if (Increasing) {
1095     Smallest = Start;
1096     Greatest = End;
1097     // No overflow, because the range [Smallest, GreatestSeen] is not empty.
1098     GreatestSeen = SE.getMinusSCEV(End, One);
1099   } else {
1100     // These two computations may sign-overflow.  Here is why that is okay:
1101     //
1102     // We know that the induction variable does not sign-overflow on any
1103     // iteration except the last one, and it starts at `Start` and ends at
1104     // `End`, decrementing by one every time.
1105     //
1106     //  * if `Smallest` sign-overflows we know `End` is `INT_SMAX`. Since the
1107     //    induction variable is decreasing we know that that the smallest value
1108     //    the loop body is actually executed with is `INT_SMIN` == `Smallest`.
1109     //
1110     //  * if `Greatest` sign-overflows, we know it can only be `INT_SMIN`.  In
1111     //    that case, `Clamp` will always return `Smallest` and
1112     //    [`Result.LowLimit`, `Result.HighLimit`) = [`Smallest`, `Smallest`)
1113     //    will be an empty range.  Returning an empty range is always safe.
1114     //
1115
1116     Smallest = SE.getAddExpr(End, One);
1117     Greatest = SE.getAddExpr(Start, One);
1118     GreatestSeen = Start;
1119   }
1120
1121   auto Clamp = [this, Smallest, Greatest, IsSignedPredicate](const SCEV *S) {
1122     bool MaybeNegativeValues = IsSignedPredicate || !SE.isKnownNonNegative(S);
1123     return MaybeNegativeValues
1124                ? SE.getSMaxExpr(Smallest, SE.getSMinExpr(Greatest, S))
1125                : SE.getUMaxExpr(Smallest, SE.getUMinExpr(Greatest, S));
1126   };
1127
1128   // In some cases we can prove that we don't need a pre or post loop.
1129   ICmpInst::Predicate PredLE =
1130       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLE : ICmpInst::ICMP_ULE;
1131   ICmpInst::Predicate PredLT =
1132       IsSignedPredicate ? ICmpInst::ICMP_SLT : ICmpInst::ICMP_ULT;
1133
1134   bool ProvablyNoPreloop =
1135       SE.isKnownPredicate(PredLE, Range.getBegin(), Smallest);
1136   if (!ProvablyNoPreloop)
1137     Result.LowLimit = Clamp(Range.getBegin());
1138
1139   bool ProvablyNoPostLoop =
1140       SE.isKnownPredicate(PredLT, GreatestSeen, Range.getEnd());
1141   if (!ProvablyNoPostLoop)
1142     Result.HighLimit = Clamp(Range.getEnd());
1143
1144   return Result;
1145 }
1146
1147 void LoopConstrainer::cloneLoop(LoopConstrainer::ClonedLoop &Result,
1148                                 const char *Tag) const {
1149   for (BasicBlock *BB : OriginalLoop.getBlocks()) {
1150     BasicBlock *Clone = CloneBasicBlock(BB, Result.Map, Twine(".") + Tag, &F);
1151     Result.Blocks.push_back(Clone);
1152     Result.Map[BB] = Clone;
1153   }
1154
1155   auto GetClonedValue = [&Result](Value *V) {
1156     assert(V && "null values not in domain!");
1157     auto It = Result.Map.find(V);
1158     if (It == Result.Map.end())
1159       return V;
1160     return static_cast<Value *>(It->second);
1161   };
1162
1163   auto *ClonedLatch =
1164       cast<BasicBlock>(GetClonedValue(OriginalLoop.getLoopLatch()));
1165   ClonedLatch->getTerminator()->setMetadata(ClonedLoopTag,
1166                                             MDNode::get(Ctx, {}));
1167
1168   Result.Structure = MainLoopStructure.map(GetClonedValue);
1169   Result.Structure.Tag = Tag;
1170
1171   for (unsigned i = 0, e = Result.Blocks.size(); i != e; ++i) {
1172     BasicBlock *ClonedBB = Result.Blocks[i];
1173     BasicBlock *OriginalBB = OriginalLoop.getBlocks()[i];
1174
1175     assert(Result.Map[OriginalBB] == ClonedBB && "invariant!");
1176
1177     for (Instruction &I : *ClonedBB)
1178       RemapInstruction(&I, Result.Map,
1179                        RF_NoModuleLevelChanges | RF_IgnoreMissingLocals);
1180
1181     // Exit blocks will now have one more predecessor and their PHI nodes need
1182     // to be edited to reflect that.  No phi nodes need to be introduced because
1183     // the loop is in LCSSA.
1184
1185     for (auto *SBB : successors(OriginalBB)) {
1186       if (OriginalLoop.contains(SBB))
1187         continue; // not an exit block
1188
1189       for (Instruction &I : *SBB) {
1190         auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1191         if (!PN)
1192           break;
1193
1194         Value *OldIncoming = PN->getIncomingValueForBlock(OriginalBB);
1195         PN->addIncoming(GetClonedValue(OldIncoming), ClonedBB);
1196       }
1197     }
1198   }
1199 }
1200
1201 LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo LoopConstrainer::changeIterationSpaceEnd(
1202     const LoopStructure &LS, BasicBlock *Preheader, Value *ExitSubloopAt,
1203     BasicBlock *ContinuationBlock) const {
1204
1205   // We start with a loop with a single latch:
1206   //
1207   //    +--------------------+
1208   //    |                    |
1209   //    |     preheader      |
1210   //    |                    |
1211   //    +--------+-----------+
1212   //             |      ----------------\
1213   //             |     /                |
1214   //    +--------v----v------+          |
1215   //    |                    |          |
1216   //    |      header        |          |
1217   //    |                    |          |
1218   //    +--------------------+          |
1219   //                                    |
1220   //            .....                   |
1221   //                                    |
1222   //    +--------------------+          |
1223   //    |                    |          |
1224   //    |       latch        >----------/
1225   //    |                    |
1226   //    +-------v------------+
1227   //            |
1228   //            |
1229   //            |   +--------------------+
1230   //            |   |                    |
1231   //            +--->   original exit    |
1232   //                |                    |
1233   //                +--------------------+
1234   //
1235   // We change the control flow to look like
1236   //
1237   //
1238   //    +--------------------+
1239   //    |                    |
1240   //    |     preheader      >-------------------------+
1241   //    |                    |                         |
1242   //    +--------v-----------+                         |
1243   //             |    /-------------+                  |
1244   //             |   /              |                  |
1245   //    +--------v--v--------+      |                  |
1246   //    |                    |      |                  |
1247   //    |      header        |      |   +--------+     |
1248   //    |                    |      |   |        |     |
1249   //    +--------------------+      |   |  +-----v-----v-----------+
1250   //                                |   |  |                       |
1251   //                                |   |  |     .pseudo.exit      |
1252   //                                |   |  |                       |
1253   //                                |   |  +-----------v-----------+
1254   //                                |   |              |
1255   //            .....               |   |              |
1256   //                                |   |     +--------v-------------+
1257   //    +--------------------+      |   |     |                      |
1258   //    |                    |      |   |     |   ContinuationBlock  |
1259   //    |       latch        >------+   |     |                      |
1260   //    |                    |          |     +----------------------+
1261   //    +---------v----------+          |
1262   //              |                     |
1263   //              |                     |
1264   //              |     +---------------^-----+
1265   //              |     |                     |
1266   //              +----->    .exit.selector   |
1267   //                    |                     |
1268   //                    +----------v----------+
1269   //                               |
1270   //     +--------------------+    |
1271   //     |                    |    |
1272   //     |   original exit    <----+
1273   //     |                    |
1274   //     +--------------------+
1275   //
1276
1277   RewrittenRangeInfo RRI;
1278
1279   BasicBlock *BBInsertLocation = LS.Latch->getNextNode();
1280   RRI.ExitSelector = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".exit.selector",
1281                                         &F, BBInsertLocation);
1282   RRI.PseudoExit = BasicBlock::Create(Ctx, Twine(LS.Tag) + ".pseudo.exit", &F,
1283                                       BBInsertLocation);
1284
1285   BranchInst *PreheaderJump = cast<BranchInst>(Preheader->getTerminator());
1286   bool Increasing = LS.IndVarIncreasing;
1287   bool IsSignedPredicate = LS.IsSignedPredicate;
1288
1289   IRBuilder<> B(PreheaderJump);
1290
1291   // EnterLoopCond - is it okay to start executing this `LS'?
1292   Value *EnterLoopCond = nullptr;
1293   if (Increasing)
1294     EnterLoopCond = IsSignedPredicate
1295                         ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1296                         : B.CreateICmpULT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1297   else
1298     EnterLoopCond = IsSignedPredicate
1299                         ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt)
1300                         : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarStart, ExitSubloopAt);
1301
1302   B.CreateCondBr(EnterLoopCond, LS.Header, RRI.PseudoExit);
1303   PreheaderJump->eraseFromParent();
1304
1305   LS.LatchBr->setSuccessor(LS.LatchBrExitIdx, RRI.ExitSelector);
1306   B.SetInsertPoint(LS.LatchBr);
1307   Value *TakeBackedgeLoopCond = nullptr;
1308   if (Increasing)
1309     TakeBackedgeLoopCond = IsSignedPredicate
1310                         ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt)
1311                         : B.CreateICmpULT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt);
1312   else
1313     TakeBackedgeLoopCond = IsSignedPredicate
1314                         ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt)
1315                         : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarBase, ExitSubloopAt);
1316   Value *CondForBranch = LS.LatchBrExitIdx == 1
1317                              ? TakeBackedgeLoopCond
1318                              : B.CreateNot(TakeBackedgeLoopCond);
1319
1320   LS.LatchBr->setCondition(CondForBranch);
1321
1322   B.SetInsertPoint(RRI.ExitSelector);
1323
1324   // IterationsLeft - are there any more iterations left, given the original
1325   // upper bound on the induction variable?  If not, we branch to the "real"
1326   // exit.
1327   Value *IterationsLeft = nullptr;
1328   if (Increasing)
1329     IterationsLeft = IsSignedPredicate
1330                          ? B.CreateICmpSLT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt)
1331                          : B.CreateICmpULT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt);
1332   else
1333     IterationsLeft = IsSignedPredicate
1334                          ? B.CreateICmpSGT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt)
1335                          : B.CreateICmpUGT(LS.IndVarBase, LS.LoopExitAt);
1336   B.CreateCondBr(IterationsLeft, RRI.PseudoExit, LS.LatchExit);
1337
1338   BranchInst *BranchToContinuation =
1339       BranchInst::Create(ContinuationBlock, RRI.PseudoExit);
1340
1341   // We emit PHI nodes into `RRI.PseudoExit' that compute the "latest" value of
1342   // each of the PHI nodes in the loop header.  This feeds into the initial
1343   // value of the same PHI nodes if/when we continue execution.
1344   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1345     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1346     if (!PN)
1347       break;
1348
1349     PHINode *NewPHI = PHINode::Create(PN->getType(), 2, PN->getName() + ".copy",
1350                                       BranchToContinuation);
1351
1352     NewPHI->addIncoming(PN->getIncomingValueForBlock(Preheader), Preheader);
1353     auto *FixupValue =
1354         LS.IsIndVarNext ? PN->getIncomingValueForBlock(LS.Latch) : PN;
1355     NewPHI->addIncoming(FixupValue, RRI.ExitSelector);
1356     RRI.PHIValuesAtPseudoExit.push_back(NewPHI);
1357   }
1358
1359   RRI.IndVarEnd = PHINode::Create(LS.IndVarBase->getType(), 2, "indvar.end",
1360                                   BranchToContinuation);
1361   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarStart, Preheader);
1362   RRI.IndVarEnd->addIncoming(LS.IndVarBase, RRI.ExitSelector);
1363
1364   // The latch exit now has a branch from `RRI.ExitSelector' instead of
1365   // `LS.Latch'.  The PHI nodes need to be updated to reflect that.
1366   for (Instruction &I : *LS.LatchExit) {
1367     if (PHINode *PN = dyn_cast<PHINode>(&I))
1368       replacePHIBlock(PN, LS.Latch, RRI.ExitSelector);
1369     else
1370       break;
1371   }
1372
1373   return RRI;
1374 }
1375
1376 void LoopConstrainer::rewriteIncomingValuesForPHIs(
1377     LoopStructure &LS, BasicBlock *ContinuationBlock,
1378     const LoopConstrainer::RewrittenRangeInfo &RRI) const {
1379
1380   unsigned PHIIndex = 0;
1381   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1382     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1383     if (!PN)
1384       break;
1385
1386     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1387       if (PN->getIncomingBlock(i) == ContinuationBlock)
1388         PN->setIncomingValue(i, RRI.PHIValuesAtPseudoExit[PHIIndex++]);
1389   }
1390
1391   LS.IndVarStart = RRI.IndVarEnd;
1392 }
1393
1394 BasicBlock *LoopConstrainer::createPreheader(const LoopStructure &LS,
1395                                              BasicBlock *OldPreheader,
1396                                              const char *Tag) const {
1397
1398   BasicBlock *Preheader = BasicBlock::Create(Ctx, Tag, &F, LS.Header);
1399   BranchInst::Create(LS.Header, Preheader);
1400
1401   for (Instruction &I : *LS.Header) {
1402     auto *PN = dyn_cast<PHINode>(&I);
1403     if (!PN)
1404       break;
1405
1406     for (unsigned i = 0, e = PN->getNumIncomingValues(); i < e; ++i)
1407       replacePHIBlock(PN, OldPreheader, Preheader);
1408   }
1409
1410   return Preheader;
1411 }
1412
1413 void LoopConstrainer::addToParentLoopIfNeeded(ArrayRef<BasicBlock *> BBs) {
1414   Loop *ParentLoop = OriginalLoop.getParentLoop();
1415   if (!ParentLoop)
1416     return;
1417
1418   for (BasicBlock *BB : BBs)
1419     ParentLoop->addBasicBlockToLoop(BB, LI);
1420 }
1421
1422 Loop *LoopConstrainer::createClonedLoopStructure(Loop *Original, Loop *Parent,
1423                                                  ValueToValueMapTy &VM) {
1424   Loop &New = *new Loop();
1425   if (Parent)
1426     Parent->addChildLoop(&New);
1427   else
1428     LI.addTopLevelLoop(&New);
1429   LPM.addLoop(New);
1430
1431   // Add all of the blocks in Original to the new loop.
1432   for (auto *BB : Original->blocks())
1433     if (LI.getLoopFor(BB) == Original)
1434       New.addBasicBlockToLoop(cast<BasicBlock>(VM[BB]), LI);
1435
1436   // Add all of the subloops to the new loop.
1437   for (Loop *SubLoop : *Original)
1438     createClonedLoopStructure(SubLoop, &New, VM);
1439
1440   return &New;
1441 }
1442
1443 bool LoopConstrainer::run() {
1444   BasicBlock *Preheader = nullptr;
1445   LatchTakenCount = SE.getExitCount(&OriginalLoop, MainLoopStructure.Latch);
1446   Preheader = OriginalLoop.getLoopPreheader();
1447   assert(!isa<SCEVCouldNotCompute>(LatchTakenCount) && Preheader != nullptr &&
1448          "preconditions!");
1449
1450   OriginalPreheader = Preheader;
1451   MainLoopPreheader = Preheader;
1452
1453   bool IsSignedPredicate = MainLoopStructure.IsSignedPredicate;
1454   Optional<SubRanges> MaybeSR = calculateSubRanges(IsSignedPredicate);
1455   if (!MaybeSR.hasValue()) {
1456     DEBUG(dbgs() << "irce: could not compute subranges\n");
1457     return false;
1458   }
1459
1460   SubRanges SR = MaybeSR.getValue();
1461   bool Increasing = MainLoopStructure.IndVarIncreasing;
1462   IntegerType *IVTy =
1463       cast<IntegerType>(MainLoopStructure.IndVarBase->getType());
1464
1465   SCEVExpander Expander(SE, F.getParent()->getDataLayout(), "irce");
1466   Instruction *InsertPt = OriginalPreheader->getTerminator();
1467
1468   // It would have been better to make `PreLoop' and `PostLoop'
1469   // `Optional<ClonedLoop>'s, but `ValueToValueMapTy' does not have a copy
1470   // constructor.
1471   ClonedLoop PreLoop, PostLoop;
1472   bool NeedsPreLoop =
1473       Increasing ? SR.LowLimit.hasValue() : SR.HighLimit.hasValue();
1474   bool NeedsPostLoop =
1475       Increasing ? SR.HighLimit.hasValue() : SR.LowLimit.hasValue();
1476
1477   Value *ExitPreLoopAt = nullptr;
1478   Value *ExitMainLoopAt = nullptr;
1479   const SCEVConstant *MinusOneS =
1480       cast<SCEVConstant>(SE.getConstant(IVTy, -1, true /* isSigned */));
1481
1482   if (NeedsPreLoop) {
1483     const SCEV *ExitPreLoopAtSCEV = nullptr;
1484
1485     if (Increasing)
1486       ExitPreLoopAtSCEV = *SR.LowLimit;
1487     else {
1488       if (CanBeMin(SE, *SR.HighLimit, IsSignedPredicate)) {
1489         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1490                      << "preloop exit limit.  HighLimit = " << *(*SR.HighLimit)
1491                      << "\n");
1492         return false;
1493       }
1494       ExitPreLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.HighLimit, MinusOneS);
1495     }
1496
1497     ExitPreLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitPreLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1498     ExitPreLoopAt->setName("exit.preloop.at");
1499   }
1500
1501   if (NeedsPostLoop) {
1502     const SCEV *ExitMainLoopAtSCEV = nullptr;
1503
1504     if (Increasing)
1505       ExitMainLoopAtSCEV = *SR.HighLimit;
1506     else {
1507       if (CanBeMin(SE, *SR.LowLimit, IsSignedPredicate)) {
1508         DEBUG(dbgs() << "irce: could not prove no-overflow when computing "
1509                      << "mainloop exit limit.  LowLimit = " << *(*SR.LowLimit)
1510                      << "\n");
1511         return false;
1512       }
1513       ExitMainLoopAtSCEV = SE.getAddExpr(*SR.LowLimit, MinusOneS);
1514     }
1515
1516     ExitMainLoopAt = Expander.expandCodeFor(ExitMainLoopAtSCEV, IVTy, InsertPt);
1517     ExitMainLoopAt->setName("exit.mainloop.at");
1518   }
1519
1520   // We clone these ahead of time so that we don't have to deal with changing
1521   // and temporarily invalid IR as we transform the loops.
1522   if (NeedsPreLoop)
1523     cloneLoop(PreLoop, "preloop");
1524   if (NeedsPostLoop)
1525     cloneLoop(PostLoop, "postloop");
1526
1527   RewrittenRangeInfo PreLoopRRI;
1528
1529   if (NeedsPreLoop) {
1530     Preheader->getTerminator()->replaceUsesOfWith(MainLoopStructure.Header,
1531                                                   PreLoop.Structure.Header);
1532
1533     MainLoopPreheader =
1534         createPreheader(MainLoopStructure, Preheader, "mainloop");
1535     PreLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(PreLoop.Structure, Preheader,
1536                                          ExitPreLoopAt, MainLoopPreheader);
1537     rewriteIncomingValuesForPHIs(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1538                                  PreLoopRRI);
1539   }
1540
1541   BasicBlock *PostLoopPreheader = nullptr;
1542   RewrittenRangeInfo PostLoopRRI;
1543
1544   if (NeedsPostLoop) {
1545     PostLoopPreheader =
1546         createPreheader(PostLoop.Structure, Preheader, "postloop");
1547     PostLoopRRI = changeIterationSpaceEnd(MainLoopStructure, MainLoopPreheader,
1548                                           ExitMainLoopAt, PostLoopPreheader);
1549     rewriteIncomingValuesForPHIs(PostLoop.Structure, PostLoopPreheader,
1550                                  PostLoopRRI);
1551   }
1552
1553   BasicBlock *NewMainLoopPreheader =
1554       MainLoopPreheader != Preheader ? MainLoopPreheader : nullptr;
1555   BasicBlock *NewBlocks[] = {PostLoopPreheader,        PreLoopRRI.PseudoExit,
1556                              PreLoopRRI.ExitSelector,  PostLoopRRI.PseudoExit,
1557                              PostLoopRRI.ExitSelector, NewMainLoopPreheader};
1558
1559   // Some of the above may be nullptr, filter them out before passing to
1560   // addToParentLoopIfNeeded.
1561   auto NewBlocksEnd =
1562       std::remove(std::begin(NewBlocks), std::end(NewBlocks), nullptr);
1563
1564   addToParentLoopIfNeeded(makeArrayRef(std::begin(NewBlocks), NewBlocksEnd));
1565
1566   DT.recalculate(F);
1567
1568   // We need to first add all the pre and post loop blocks into the loop
1569   // structures (as part of createClonedLoopStructure), and then update the
1570   // LCSSA form and LoopSimplifyForm. This is necessary for correctly updating
1571   // LI when LoopSimplifyForm is generated.
1572   Loop *PreL = nullptr, *PostL = nullptr;
1573   if (!PreLoop.Blocks.empty()) {
1574     PreL = createClonedLoopStructure(
1575         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PreLoop.Map);
1576   }
1577
1578   if (!PostLoop.Blocks.empty()) {
1579     PostL = createClonedLoopStructure(
1580         &OriginalLoop, OriginalLoop.getParentLoop(), PostLoop.Map);
1581   }
1582
1583   // This function canonicalizes the loop into Loop-Simplify and LCSSA forms.
1584   auto CanonicalizeLoop = [&] (Loop *L, bool IsOriginalLoop) {
1585     formLCSSARecursively(*L, DT, &LI, &SE);
1586     simplifyLoop(L, &DT, &LI, &SE, nullptr, true);
1587     // Pre/post loops are slow paths, we do not need to perform any loop
1588     // optimizations on them.
1589     if (!IsOriginalLoop)
1590       DisableAllLoopOptsOnLoop(*L);
1591   };
1592   if (PreL)
1593     CanonicalizeLoop(PreL, false);
1594   if (PostL)
1595     CanonicalizeLoop(PostL, false);
1596   CanonicalizeLoop(&OriginalLoop, true);
1597
1598   return true;
1599 }
1600
1601 /// Computes and returns a range of values for the induction variable (IndVar)
1602 /// in which the range check can be safely elided.  If it cannot compute such a
1603 /// range, returns None.
1604 Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1605 InductiveRangeCheck::computeSafeIterationSpace(
1606     ScalarEvolution &SE, const SCEVAddRecExpr *IndVar) const {
1607   // IndVar is of the form "A + B * I" (where "I" is the canonical induction
1608   // variable, that may or may not exist as a real llvm::Value in the loop) and
1609   // this inductive range check is a range check on the "C + D * I" ("C" is
1610   // getOffset() and "D" is getScale()).  We rewrite the value being range
1611   // checked to "M + N * IndVar" where "N" = "D * B^(-1)" and "M" = "C - NA".
1612   //
1613   // The actual inequalities we solve are of the form
1614   //
1615   //   0 <= M + 1 * IndVar < L given L >= 0  (i.e. N == 1)
1616   //
1617   // The inequality is satisfied by -M <= IndVar < (L - M) [^1].  All additions
1618   // and subtractions are twos-complement wrapping and comparisons are signed.
1619   //
1620   // Proof:
1621   //
1622   //   If there exists IndVar such that -M <= IndVar < (L - M) then it follows
1623   //   that -M <= (-M + L) [== Eq. 1].  Since L >= 0, if (-M + L) sign-overflows
1624   //   then (-M + L) < (-M).  Hence by [Eq. 1], (-M + L) could not have
1625   //   overflown.
1626   //
1627   //   This means IndVar = t + (-M) for t in [0, L).  Hence (IndVar + M) = t.
1628   //   Hence 0 <= (IndVar + M) < L
1629
1630   // [^1]: Note that the solution does _not_ apply if L < 0; consider values M =
1631   // 127, IndVar = 126 and L = -2 in an i8 world.
1632
1633   if (!IndVar->isAffine())
1634     return None;
1635
1636   const SCEV *A = IndVar->getStart();
1637   const SCEVConstant *B = dyn_cast<SCEVConstant>(IndVar->getStepRecurrence(SE));
1638   if (!B)
1639     return None;
1640   assert(!B->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1641
1642   const SCEV *C = getOffset();
1643   const SCEVConstant *D = dyn_cast<SCEVConstant>(getScale());
1644   if (D != B)
1645     return None;
1646
1647   assert(!D->getValue()->isZero() && "Recurrence with zero step?");
1648
1649   const SCEV *M = SE.getMinusSCEV(C, A);
1650   const SCEV *Begin = SE.getNegativeSCEV(M);
1651   const SCEV *UpperLimit = nullptr;
1652
1653   // We strengthen "0 <= I" to "0 <= I < INT_SMAX" and "I < L" to "0 <= I < L".
1654   // We can potentially do much better here.
1655   if (Value *V = getLength()) {
1656     UpperLimit = SE.getSCEV(V);
1657   } else {
1658     assert(Kind == InductiveRangeCheck::RANGE_CHECK_LOWER && "invariant!");
1659     unsigned BitWidth = cast<IntegerType>(IndVar->getType())->getBitWidth();
1660     UpperLimit = SE.getConstant(APInt::getSignedMaxValue(BitWidth));
1661   }
1662
1663   const SCEV *End = SE.getMinusSCEV(UpperLimit, M);
1664   return InductiveRangeCheck::Range(Begin, End);
1665 }
1666
1667 static Optional<InductiveRangeCheck::Range>
1668 IntersectRange(ScalarEvolution &SE,
1669                const Optional<InductiveRangeCheck::Range> &R1,
1670                const InductiveRangeCheck::Range &R2) {
1671   if (!R1.hasValue())
1672     return R2;
1673   auto &R1Value = R1.getValue();
1674
1675   // TODO: we could widen the smaller range and have this work; but for now we
1676   // bail out to keep things simple.
1677   if (R1Value.getType() != R2.getType())
1678     return None;
1679
1680   const SCEV *NewBegin = SE.getSMaxExpr(R1Value.getBegin(), R2.getBegin());
1681   const SCEV *NewEnd = SE.getSMinExpr(R1Value.getEnd(), R2.getEnd());
1682
1683   return InductiveRangeCheck::Range(NewBegin, NewEnd);
1684 }
1685
1686 bool InductiveRangeCheckElimination::runOnLoop(Loop *L, LPPassManager &LPM) {
1687   if (skipLoop(L))
1688     return false;
1689
1690   if (L->getBlocks().size() >= LoopSizeCutoff) {
1691     DEBUG(dbgs() << "irce: giving up constraining loop, too large\n";);
1692     return false;
1693   }
1694
1695   BasicBlock *Preheader = L->getLoopPreheader();
1696   if (!Preheader) {
1697     DEBUG(dbgs() << "irce: loop has no preheader, leaving\n");
1698     return false;
1699   }
1700
1701   LLVMContext &Context = Preheader->getContext();
1702   SmallVector<InductiveRangeCheck, 16> RangeChecks;
1703   ScalarEvolution &SE = getAnalysis<ScalarEvolutionWrapperPass>().getSE();
1704   BranchProbabilityInfo &BPI =
1705       getAnalysis<BranchProbabilityInfoWrapperPass>().getBPI();
1706
1707   for (auto BBI : L->getBlocks())
1708     if (BranchInst *TBI = dyn_cast<BranchInst>(BBI->getTerminator()))
1709       InductiveRangeCheck::extractRangeChecksFromBranch(TBI, L, SE, BPI,
1710                                                         RangeChecks);
1711
1712   if (RangeChecks.empty())
1713     return false;
1714
1715   auto PrintRecognizedRangeChecks = [&](raw_ostream &OS) {
1716     OS << "irce: looking at loop "; L->print(OS);
1717     OS << "irce: loop has " << RangeChecks.size()
1718        << " inductive range checks: \n";
1719     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks)
1720       IRC.print(OS);
1721   };
1722
1723   DEBUG(PrintRecognizedRangeChecks(dbgs()));
1724
1725   if (PrintRangeChecks)
1726     PrintRecognizedRangeChecks(errs());
1727
1728   const char *FailureReason = nullptr;
1729   Optional<LoopStructure> MaybeLoopStructure =
1730       LoopStructure::parseLoopStructure(SE, BPI, *L, FailureReason);
1731   if (!MaybeLoopStructure.hasValue()) {
1732     DEBUG(dbgs() << "irce: could not parse loop structure: " << FailureReason
1733                  << "\n";);
1734     return false;
1735   }
1736   LoopStructure LS = MaybeLoopStructure.getValue();
1737   const SCEVAddRecExpr *IndVar =
1738       cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getSCEV(LS.IndVarBase));
1739   if (LS.IsIndVarNext)
1740     IndVar = cast<SCEVAddRecExpr>(SE.getMinusSCEV(IndVar,
1741                                                   SE.getSCEV(LS.IndVarStep)));
1742
1743   Optional<InductiveRangeCheck::Range> SafeIterRange;
1744   Instruction *ExprInsertPt = Preheader->getTerminator();
1745
1746   SmallVector<InductiveRangeCheck, 4> RangeChecksToEliminate;
1747
1748   IRBuilder<> B(ExprInsertPt);
1749   for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecks) {
1750     auto Result = IRC.computeSafeIterationSpace(SE, IndVar);
1751     if (Result.hasValue()) {
1752       auto MaybeSafeIterRange =
1753           IntersectRange(SE, SafeIterRange, Result.getValue());
1754       if (MaybeSafeIterRange.hasValue()) {
1755         RangeChecksToEliminate.push_back(IRC);
1756         SafeIterRange = MaybeSafeIterRange.getValue();
1757       }
1758     }
1759   }
1760
1761   if (!SafeIterRange.hasValue())
1762     return false;
1763
1764   auto &DT = getAnalysis<DominatorTreeWrapperPass>().getDomTree();
1765   LoopConstrainer LC(*L, getAnalysis<LoopInfoWrapperPass>().getLoopInfo(), LPM,
1766                      LS, SE, DT, SafeIterRange.getValue());
1767   bool Changed = LC.run();
1768
1769   if (Changed) {
1770     auto PrintConstrainedLoopInfo = [L]() {
1771       dbgs() << "irce: in function ";
1772       dbgs() << L->getHeader()->getParent()->getName() << ": ";
1773       dbgs() << "constrained ";
1774       L->print(dbgs());
1775     };
1776
1777     DEBUG(PrintConstrainedLoopInfo());
1778
1779     if (PrintChangedLoops)
1780       PrintConstrainedLoopInfo();
1781
1782     // Optimize away the now-redundant range checks.
1783
1784     for (InductiveRangeCheck &IRC : RangeChecksToEliminate) {
1785       ConstantInt *FoldedRangeCheck = IRC.getPassingDirection()
1786                                           ? ConstantInt::getTrue(Context)
1787                                           : ConstantInt::getFalse(Context);
1788       IRC.getCheckUse()->set(FoldedRangeCheck);
1789     }
1790   }
1791
1792   return Changed;
1793 }
1794
1795 Pass *llvm::createInductiveRangeCheckEliminationPass() {
1796   return new InductiveRangeCheckElimination;
1797 }