[midend-Loop-InductionVarStrengthReduction]增加循环规约变量强度削弱优化

src/include/midend/Pass/Optimize/LoopStrengthReduction.h

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+#pragma once
+
+#include "Pass.h"
+#include "IR.h"
+#include "LoopCharacteristics.h"
+#include "Loop.h"
+#include "Dom.h"
+#include <vector>
+#include <unordered_map>
+#include <unordered_set>
+#include <memory>
+
+namespace sysy {
+
+// 前向声明
+class LoopCharacteristicsResult;
+class LoopAnalysisResult;
+
+/**
+ * @brief 强度削弱候选项信息
+ * 记录一个可以进行强度削弱的表达式信息
+ */
+struct StrengthReductionCandidate {
+  Instruction* originalInst;      // 原始指令 (如 i*4)
+  Value* inductionVar;            // 归纳变量 (如 i)
+  int multiplier;                 // 乘数 (如 4)
+  int offset;                     // 偏移量 (如常数项)
+  BasicBlock* containingBlock;    // 所在基本块
+  Loop* containingLoop;           // 所在循环
+  
+  // 强度削弱后的新变量
+  PhiInst* newPhi = nullptr;      // 新的 phi 指令
+  Value* newInductionVar = nullptr; // 新的归纳变量 (递增 multiplier)
+  
+  StrengthReductionCandidate(Instruction* inst, Value* iv, int mult, int off, 
+                           BasicBlock* bb, Loop* loop)
+    : originalInst(inst), inductionVar(iv), multiplier(mult), offset(off),
+      containingBlock(bb), containingLoop(loop) {}
+};
+
+/**
+ * @brief 强度削弱上下文类
+ * 封装强度削弱优化的核心逻辑和状态
+ */
+class StrengthReductionContext {
+public:
+  StrengthReductionContext(IRBuilder* builder) : builder(builder) {}
+  
+  /**
+   * 运行强度削弱优化
+   * @param F 目标函数
+   * @param AM 分析管理器
+   * @return 是否修改了IR
+   */
+  bool run(Function* F, AnalysisManager& AM);
+
+private:
+  IRBuilder* builder;
+  
+  // 分析结果缓存
+  LoopAnalysisResult* loopAnalysis = nullptr;
+  LoopCharacteristicsResult* loopCharacteristics = nullptr;
+  DominatorTree* dominatorTree = nullptr;
+  
+  // 候选项存储
+  std::vector<std::unique_ptr<StrengthReductionCandidate>> candidates;
+  std::unordered_map<Loop*, std::vector<StrengthReductionCandidate*>> loopToCandidates;
+  
+  // ========== 核心分析和优化阶段 ==========
+  
+  /**
+   * 阶段1：识别强度削弱候选项
+   * 扫描所有循环中的乘法指令，找出可以优化的模式
+   */
+  void identifyStrengthReductionCandidates(Function* F);
+  
+  /**
+   * 阶段2：分析候选项的优化潜力
+   * 评估每个候选项的收益，过滤掉不值得优化的情况
+   */
+  void analyzeOptimizationPotential();
+  
+  /**
+   * 阶段3：执行强度削弱变换
+   * 对选中的候选项执行实际的强度削弱优化
+   */
+  bool performStrengthReduction();
+  
+  // ========== 辅助方法 ==========
+  
+  /**
+   * 检查指令是否为强度削弱候选项
+   * @param inst 要检查的指令
+   * @param loop 所在循环
+   * @return 如果是候选项返回候选项信息，否则返回nullptr
+   */
+  std::unique_ptr<StrengthReductionCandidate> 
+  isStrengthReductionCandidate(Instruction* inst, Loop* loop);
+  
+  /**
+   * 检查值是否为循环的归纳变量
+   * @param val 要检查的值
+   * @param loop 循环
+   * @param characteristics 循环特征信息
+   * @return 如果是归纳变量返回归纳变量信息，否则返回nullptr
+   */
+  const InductionVarInfo* 
+  getInductionVarInfo(Value* val, Loop* loop, const LoopCharacteristics* characteristics);
+  
+  /**
+   * 为候选项创建新的归纳变量
+   * @param candidate 候选项
+   * @return 是否成功创建
+   */
+  bool createNewInductionVariable(StrengthReductionCandidate* candidate);
+  
+  /**
+   * 替换原始指令的所有使用
+   * @param candidate 候选项
+   * @return 是否成功替换
+   */
+  bool replaceOriginalInstruction(StrengthReductionCandidate* candidate);
+  
+  /**
+   * 估算优化收益
+   * 计算强度削弱后的性能提升
+   * @param candidate 候选项
+   * @return 估算的收益分数
+   */
+  double estimateOptimizationBenefit(const StrengthReductionCandidate* candidate);
+  
+  /**
+   * 检查优化的合法性
+   * @param candidate 候选项
+   * @return 是否可以安全地进行优化
+   */
+  bool isOptimizationLegal(const StrengthReductionCandidate* candidate);
+  
+  /**
+   * 打印调试信息
+   */
+  void printDebugInfo();
+};
+
+/**
+ * @brief 循环强度削弱优化遍
+ * 将循环中的乘法运算转换为更高效的加法运算
+ */
+class LoopStrengthReduction : public OptimizationPass {
+public:
+  // 唯一的 Pass ID
+  static void *ID;
+  
+  LoopStrengthReduction(IRBuilder* builder) 
+    : OptimizationPass("LoopStrengthReduction", Granularity::Function), 
+      builder(builder) {}
+  
+  /**
+   * 在函数上运行强度削弱优化
+   * @param F 目标函数
+   * @param AM 分析管理器
+   * @return 是否修改了IR
+   */
+  bool runOnFunction(Function* F, AnalysisManager& AM) override;
+  
+  /**
+   * 声明分析依赖和失效信息
+   */
+  void getAnalysisUsage(std::set<void*>& analysisDependencies, 
+                       std::set<void*>& analysisInvalidations) const override;
+  
+  void* getPassID() const override { return &ID; }
+
+private:
+  IRBuilder* builder;
+};
+
+} // namespace sysy