docs/tutorial/OCamlLangImpl3.html

   1 <!DOCTYPE HTML PUBLIC "-//W3C//DTD HTML 4.01//EN"
   2                       "http://www.w3.org/TR/html4/strict.dtd">
   3
   4 <html>
   5 <head>
   6   <title>Kaleidoscope: Implementing code generation to LLVM IR</title>
   7   <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
   8   <meta name="author" content="Chris Lattner">
   9   <meta name="author" content="Erick Tryzelaar">
  10   <link rel="stylesheet" href="../llvm.css" type="text/css">
  11 </head>
  12
  13 <body>
  14
  15 <h1>Kaleidoscope: Code generation to LLVM IR</h1>
  16
  17 <ul>
  18 <li><a href="index.html">Up to Tutorial Index</a></li>
  19 <li>Chapter 3
  20   <ol>
  21     <li><a href="#intro">Chapter 3 Introduction</a></li>
  22     <li><a href="#basics">Code Generation Setup</a></li>
  23     <li><a href="#exprs">Expression Code Generation</a></li>
  24     <li><a href="#funcs">Function Code Generation</a></li>
  25     <li><a href="#driver">Driver Changes and Closing Thoughts</a></li>
  26     <li><a href="#code">Full Code Listing</a></li>
  27   </ol>
  28 </li>
  29 <li><a href="OCamlLangImpl4.html">Chapter 4</a>: Adding JIT and Optimizer
  30 Support</li>
  31 </ul>
  32
  33 <div class="doc_author">
  34         <p>
  35                 Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a>
  36                 and <a href="mailto:idadesub@users.sourceforge.net">Erick Tryzelaar</a>
  37         </p>
  38 </div>
  39
  40 <!-- *********************************************************************** -->
  41 <h2><a name="intro">Chapter 3 Introduction</a></h2>
  42 <!-- *********************************************************************** -->
  43
  44 <div>
  45
  46 <p>Welcome to Chapter 3 of the "<a href="index.html">Implementing a language
  47 with LLVM</a>" tutorial.  This chapter shows you how to transform the <a
  48 href="OCamlLangImpl2.html">Abstract Syntax Tree</a>, built in Chapter 2, into
  49 LLVM IR.  This will teach you a little bit about how LLVM does things, as well
  50 as demonstrate how easy it is to use.  It's much more work to build a lexer and
  51 parser than it is to generate LLVM IR code. :)
  52 </p>
  53
  54 <p><b>Please note</b>: the code in this chapter and later require LLVM 2.3 or
  55 LLVM SVN to work.  LLVM 2.2 and before will not work with it.</p>
  56
  57 </div>
  58
  59 <!-- *********************************************************************** -->
  60 <h2><a name="basics">Code Generation Setup</a></h2>
  61 <!-- *********************************************************************** -->
  62
  63 <div>
  64
  65 <p>
  66 In order to generate LLVM IR, we want some simple setup to get started.  First
  67 we define virtual code generation (codegen) methods in each AST class:</p>
  68
  69 <div class="doc_code">
  70 <pre>
  71 let rec codegen_expr = function
  72   | Ast.Number n -&gt; ...
  73   | Ast.Variable name -&gt; ...
  74 </pre>
  75 </div>
  76
  77 <p>The <tt>Codegen.codegen_expr</tt> function says to emit IR for that AST node
  78 along with all the things it depends on, and they all return an LLVM Value
  79 object.  "Value" is the class used to represent a "<a
  80 href="http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form">Static Single
  81 Assignment (SSA)</a> register" or "SSA value" in LLVM.  The most distinct aspect
  82 of SSA values is that their value is computed as the related instruction
  83 executes, and it does not get a new value until (and if) the instruction
  84 re-executes.  In other words, there is no way to "change" an SSA value.  For
  85 more information, please read up on <a
  86 href="http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form">Static Single
  87 Assignment</a> - the concepts are really quite natural once you grok them.</p>
  88
  89 <p>The
  90 second thing we want is an "Error" exception like we used for the parser, which
  91 will be used to report errors found during code generation (for example, use of
  92 an undeclared parameter):</p>
  93
  94 <div class="doc_code">
  95 <pre>
  96 exception Error of string
  97
  98 let context = global_context ()
  99 let the_module = create_module context "my cool jit"
 100 let builder = builder context
 101 let named_values:(string, llvalue) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
 102 let double_type = double_type context
 103 </pre>
 104 </div>
 105
 106 <p>The static variables will be used during code generation.
 107 <tt>Codgen.the_module</tt> is the LLVM construct that contains all of the
 108 functions and global variables in a chunk of code.  In many ways, it is the
 109 top-level structure that the LLVM IR uses to contain code.</p>
 110
 111 <p>The <tt>Codegen.builder</tt> object is a helper object that makes it easy to
 112 generate LLVM instructions.  Instances of the <a
 113 href="http://llvm.org/doxygen/IRBuilder_8h-source.html"><tt>IRBuilder</tt></a>
 114 class keep track of the current place to insert instructions and has methods to
 115 create new instructions.</p>
 116
 117 <p>The <tt>Codegen.named_values</tt> map keeps track of which values are defined
 118 in the current scope and what their LLVM representation is.  (In other words, it
 119 is a symbol table for the code).  In this form of Kaleidoscope, the only things
 120 that can be referenced are function parameters.  As such, function parameters
 121 will be in this map when generating code for their function body.</p>
 122
 123 <p>
 124 With these basics in place, we can start talking about how to generate code for
 125 each expression.  Note that this assumes that the <tt>Codgen.builder</tt> has
 126 been set up to generate code <em>into</em> something.  For now, we'll assume
 127 that this has already been done, and we'll just use it to emit code.</p>
 128
 129 </div>
 130
 131 <!-- *********************************************************************** -->
 132 <h2><a name="exprs">Expression Code Generation</a></h2>
 133 <!-- *********************************************************************** -->
 134
 135 <div>
 136
 137 <p>Generating LLVM code for expression nodes is very straightforward: less
 138 than 30 lines of commented code for all four of our expression nodes.  First
 139 we'll do numeric literals:</p>
 140
 141 <div class="doc_code">
 142 <pre>
 143   | Ast.Number n -&gt; const_float double_type n
 144 </pre>
 145 </div>
 146
 147 <p>In the LLVM IR, numeric constants are represented with the
 148 <tt>ConstantFP</tt> class, which holds the numeric value in an <tt>APFloat</tt>
 149 internally (<tt>APFloat</tt> has the capability of holding floating point
 150 constants of <em>A</em>rbitrary <em>P</em>recision).  This code basically just
 151 creates and returns a <tt>ConstantFP</tt>.  Note that in the LLVM IR
 152 that constants are all uniqued together and shared.  For this reason, the API
 153 uses "the foo::get(..)" idiom instead of "new foo(..)" or "foo::Create(..)".</p>
 154
 155 <div class="doc_code">
 156 <pre>
 157   | Ast.Variable name -&gt;
 158       (try Hashtbl.find named_values name with
 159         | Not_found -&gt; raise (Error "unknown variable name"))
 160 </pre>
 161 </div>
 162
 163 <p>References to variables are also quite simple using LLVM.  In the simple
 164 version of Kaleidoscope, we assume that the variable has already been emitted
 165 somewhere and its value is available.  In practice, the only values that can be
 166 in the <tt>Codegen.named_values</tt> map are function arguments.  This code
 167 simply checks to see that the specified name is in the map (if not, an unknown
 168 variable is being referenced) and returns the value for it.  In future chapters,
 169 we'll add support for <a href="LangImpl5.html#for">loop induction variables</a>
 170 in the symbol table, and for <a href="LangImpl7.html#localvars">local
 171 variables</a>.</p>
 172
 173 <div class="doc_code">
 174 <pre>
 175   | Ast.Binary (op, lhs, rhs) -&gt;
 176       let lhs_val = codegen_expr lhs in
 177       let rhs_val = codegen_expr rhs in
 178       begin
 179         match op with
 180         | '+' -&gt; build_fadd lhs_val rhs_val "addtmp" builder
 181         | '-' -&gt; build_fsub lhs_val rhs_val "subtmp" builder
 182         | '*' -&gt; build_fmul lhs_val rhs_val "multmp" builder
 183         | '&lt;' -&gt;
 184             (* Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0 *)
 185             let i = build_fcmp Fcmp.Ult lhs_val rhs_val "cmptmp" builder in
 186             build_uitofp i double_type "booltmp" builder
 187         | _ -&gt; raise (Error "invalid binary operator")
 188       end
 189 </pre>
 190 </div>
 191
 192 <p>Binary operators start to get more interesting.  The basic idea here is that
 193 we recursively emit code for the left-hand side of the expression, then the
 194 right-hand side, then we compute the result of the binary expression.  In this
 195 code, we do a simple switch on the opcode to create the right LLVM instruction.
 196 </p>
 197
 198 <p>In the example above, the LLVM builder class is starting to show its value.
 199 IRBuilder knows where to insert the newly created instruction, all you have to
 200 do is specify what instruction to create (e.g. with <tt>Llvm.create_add</tt>),
 201 which operands to use (<tt>lhs</tt> and <tt>rhs</tt> here) and optionally
 202 provide a name for the generated instruction.</p>
 203
 204 <p>One nice thing about LLVM is that the name is just a hint.  For instance, if
 205 the code above emits multiple "addtmp" variables, LLVM will automatically
 206 provide each one with an increasing, unique numeric suffix.  Local value names
 207 for instructions are purely optional, but it makes it much easier to read the
 208 IR dumps.</p>
 209
 210 <p><a href="../LangRef.html#instref">LLVM instructions</a> are constrained by
 211 strict rules: for example, the Left and Right operators of
 212 an <a href="../LangRef.html#i_add">add instruction</a> must have the same
 213 type, and the result type of the add must match the operand types.  Because
 214 all values in Kaleidoscope are doubles, this makes for very simple code for add,
 215 sub and mul.</p>
 216
 217 <p>On the other hand, LLVM specifies that the <a
 218 href="../LangRef.html#i_fcmp">fcmp instruction</a> always returns an 'i1' value
 219 (a one bit integer).  The problem with this is that Kaleidoscope wants the value to be a 0.0 or 1.0 value.  In order to get these semantics, we combine the fcmp instruction with
 220 a <a href="../LangRef.html#i_uitofp">uitofp instruction</a>.  This instruction
 221 converts its input integer into a floating point value by treating the input
 222 as an unsigned value.  In contrast, if we used the <a
 223 href="../LangRef.html#i_sitofp">sitofp instruction</a>, the Kaleidoscope '&lt;'
 224 operator would return 0.0 and -1.0, depending on the input value.</p>
 225
 226 <div class="doc_code">
 227 <pre>
 228   | Ast.Call (callee, args) -&gt;
 229       (* Look up the name in the module table. *)
 230       let callee =
 231         match lookup_function callee the_module with
 232         | Some callee -&gt; callee
 233         | None -&gt; raise (Error "unknown function referenced")
 234       in
 235       let params = params callee in
 236
 237       (* If argument mismatch error. *)
 238       if Array.length params == Array.length args then () else
 239         raise (Error "incorrect # arguments passed");
 240       let args = Array.map codegen_expr args in
 241       build_call callee args "calltmp" builder
 242 </pre>
 243 </div>
 244
 245 <p>Code generation for function calls is quite straightforward with LLVM.  The
 246 code above initially does a function name lookup in the LLVM Module's symbol
 247 table.  Recall that the LLVM Module is the container that holds all of the
 248 functions we are JIT'ing.  By giving each function the same name as what the
 249 user specifies, we can use the LLVM symbol table to resolve function names for
 250 us.</p>
 251
 252 <p>Once we have the function to call, we recursively codegen each argument that
 253 is to be passed in, and create an LLVM <a href="../LangRef.html#i_call">call
 254 instruction</a>.  Note that LLVM uses the native C calling conventions by
 255 default, allowing these calls to also call into standard library functions like
 256 "sin" and "cos", with no additional effort.</p>
 257
 258 <p>This wraps up our handling of the four basic expressions that we have so far
 259 in Kaleidoscope.  Feel free to go in and add some more.  For example, by
 260 browsing the <a href="../LangRef.html">LLVM language reference</a> you'll find
 261 several other interesting instructions that are really easy to plug into our
 262 basic framework.</p>
 263
 264 </div>
 265
 266 <!-- *********************************************************************** -->
 267 <h2><a name="funcs">Function Code Generation</a></h2>
 268 <!-- *********************************************************************** -->
 269
 270 <div>
 271
 272 <p>Code generation for prototypes and functions must handle a number of
 273 details, which make their code less beautiful than expression code
 274 generation, but allows us to illustrate some important points.  First, lets
 275 talk about code generation for prototypes: they are used both for function
 276 bodies and external function declarations.  The code starts with:</p>
 277
 278 <div class="doc_code">
 279 <pre>
 280 let codegen_proto = function
 281   | Ast.Prototype (name, args) -&gt;
 282       (* Make the function type: double(double,double) etc. *)
 283       let doubles = Array.make (Array.length args) double_type in
 284       let ft = function_type double_type doubles in
 285       let f =
 286         match lookup_function name the_module with
 287 </pre>
 288 </div>
 289
 290 <p>This code packs a lot of power into a few lines.  Note first that this
 291 function returns a "Function*" instead of a "Value*" (although at the moment
 292 they both are modeled by <tt>llvalue</tt> in ocaml).  Because a "prototype"
 293 really talks about the external interface for a function (not the value computed
 294 by an expression), it makes sense for it to return the LLVM Function it
 295 corresponds to when codegen'd.</p>
 296
 297 <p>The call to <tt>Llvm.function_type</tt> creates the <tt>Llvm.llvalue</tt>
 298 that should be used for a given Prototype.  Since all function arguments in
 299 Kaleidoscope are of type double, the first line creates a vector of "N" LLVM
 300 double types.  It then uses the <tt>Llvm.function_type</tt> method to create a
 301 function type that takes "N" doubles as arguments, returns one double as a
 302 result, and that is not vararg (that uses the function
 303 <tt>Llvm.var_arg_function_type</tt>).  Note that Types in LLVM are uniqued just
 304 like <tt>Constant</tt>s are, so you don't "new" a type, you "get" it.</p>
 305
 306 <p>The final line above checks if the function has already been defined in
 307 <tt>Codegen.the_module</tt>. If not, we will create it.</p>
 308
 309 <div class="doc_code">
 310 <pre>
 311         | None -&gt; declare_function name ft the_module
 312 </pre>
 313 </div>
 314
 315 <p>This indicates the type and name to use, as well as which module to insert
 316 into.  By default we assume a function has
 317 <tt>Llvm.Linkage.ExternalLinkage</tt>.  "<a href="LangRef.html#linkage">external
 318 linkage</a>" means that the function may be defined outside the current module
 319 and/or that it is callable by functions outside the module.  The "<tt>name</tt>"
 320 passed in is the name the user specified: this name is registered in
 321 "<tt>Codegen.the_module</tt>"s symbol table, which is used by the function call
 322 code above.</p>
 323
 324 <p>In Kaleidoscope, I choose to allow redefinitions of functions in two cases:
 325 first, we want to allow 'extern'ing a function more than once, as long as the
 326 prototypes for the externs match (since all arguments have the same type, we
 327 just have to check that the number of arguments match).  Second, we want to
 328 allow 'extern'ing a function and then defining a body for it.  This is useful
 329 when defining mutually recursive functions.</p>
 330
 331 <div class="doc_code">
 332 <pre>
 333         (* If 'f' conflicted, there was already something named 'name'. If it
 334          * has a body, don't allow redefinition or reextern. *)
 335         | Some f -&gt;
 336             (* If 'f' already has a body, reject this. *)
 337             if Array.length (basic_blocks f) == 0 then () else
 338               raise (Error "redefinition of function");
 339
 340             (* If 'f' took a different number of arguments, reject. *)
 341             if Array.length (params f) == Array.length args then () else
 342               raise (Error "redefinition of function with different # args");
 343             f
 344       in
 345 </pre>
 346 </div>
 347
 348 <p>In order to verify the logic above, we first check to see if the pre-existing
 349 function is "empty".  In this case, empty means that it has no basic blocks in
 350 it, which means it has no body.  If it has no body, it is a forward
 351 declaration.  Since we don't allow anything after a full definition of the
 352 function, the code rejects this case.  If the previous reference to a function
 353 was an 'extern', we simply verify that the number of arguments for that
 354 definition and this one match up.  If not, we emit an error.</p>
 355
 356 <div class="doc_code">
 357 <pre>
 358       (* Set names for all arguments. *)
 359       Array.iteri (fun i a -&gt;
 360         let n = args.(i) in
 361         set_value_name n a;
 362         Hashtbl.add named_values n a;
 363       ) (params f);
 364       f
 365 </pre>
 366 </div>
 367
 368 <p>The last bit of code for prototypes loops over all of the arguments in the
 369 function, setting the name of the LLVM Argument objects to match, and registering
 370 the arguments in the <tt>Codegen.named_values</tt> map for future use by the
 371 <tt>Ast.Variable</tt> variant.  Once this is set up, it returns the Function
 372 object to the caller.  Note that we don't check for conflicting
 373 argument names here (e.g. "extern foo(a b a)").  Doing so would be very
 374 straight-forward with the mechanics we have already used above.</p>
 375
 376 <div class="doc_code">
 377 <pre>
 378 let codegen_func = function
 379   | Ast.Function (proto, body) -&gt;
 380       Hashtbl.clear named_values;
 381       let the_function = codegen_proto proto in
 382 </pre>
 383 </div>
 384
 385 <p>Code generation for function definitions starts out simply enough: we just
 386 codegen the prototype (Proto) and verify that it is ok.  We then clear out the
 387 <tt>Codegen.named_values</tt> map to make sure that there isn't anything in it
 388 from the last function we compiled.  Code generation of the prototype ensures
 389 that there is an LLVM Function object that is ready to go for us.</p>
 390
 391 <div class="doc_code">
 392 <pre>
 393       (* Create a new basic block to start insertion into. *)
 394       let bb = append_block context "entry" the_function in
 395       position_at_end bb builder;
 396
 397       try
 398         let ret_val = codegen_expr body in
 399 </pre>
 400 </div>
 401
 402 <p>Now we get to the point where the <tt>Codegen.builder</tt> is set up.  The
 403 first line creates a new
 404 <a href="http://en.wikipedia.org/wiki/Basic_block">basic block</a> (named
 405 "entry"), which is inserted into <tt>the_function</tt>.  The second line then
 406 tells the builder that new instructions should be inserted into the end of the
 407 new basic block.  Basic blocks in LLVM are an important part of functions that
 408 define the <a
 409 href="http://en.wikipedia.org/wiki/Control_flow_graph">Control Flow Graph</a>.
 410 Since we don't have any control flow, our functions will only contain one
 411 block at this point.  We'll fix this in <a href="OCamlLangImpl5.html">Chapter
 412 5</a> :).</p>
 413
 414 <div class="doc_code">
 415 <pre>
 416         let ret_val = codegen_expr body in
 417
 418         (* Finish off the function. *)
 419         let _ = build_ret ret_val builder in
 420
 421         (* Validate the generated code, checking for consistency. *)
 422         Llvm_analysis.assert_valid_function the_function;
 423
 424         the_function
 425 </pre>
 426 </div>
 427
 428 <p>Once the insertion point is set up, we call the <tt>Codegen.codegen_func</tt>
 429 method for the root expression of the function.  If no error happens, this emits
 430 code to compute the expression into the entry block and returns the value that
 431 was computed.  Assuming no error, we then create an LLVM <a
 432 href="../LangRef.html#i_ret">ret instruction</a>, which completes the function.
 433 Once the function is built, we call
 434 <tt>Llvm_analysis.assert_valid_function</tt>, which is provided by LLVM.  This
 435 function does a variety of consistency checks on the generated code, to
 436 determine if our compiler is doing everything right.  Using this is important:
 437 it can catch a lot of bugs.  Once the function is finished and validated, we
 438 return it.</p>
 439
 440 <div class="doc_code">
 441 <pre>
 442       with e -&gt;
 443         delete_function the_function;
 444         raise e
 445 </pre>
 446 </div>
 447
 448 <p>The only piece left here is handling of the error case.  For simplicity, we
 449 handle this by merely deleting the function we produced with the
 450 <tt>Llvm.delete_function</tt> method.  This allows the user to redefine a
 451 function that they incorrectly typed in before: if we didn't delete it, it
 452 would live in the symbol table, with a body, preventing future redefinition.</p>
 453
 454 <p>This code does have a bug, though.  Since the <tt>Codegen.codegen_proto</tt>
 455 can return a previously defined forward declaration, our code can actually delete
 456 a forward declaration.  There are a number of ways to fix this bug, see what you
 457 can come up with!  Here is a testcase:</p>
 458
 459 <div class="doc_code">
 460 <pre>
 461 extern foo(a b);     # ok, defines foo.
 462 def foo(a b) c;      # error, 'c' is invalid.
 463 def bar() foo(1, 2); # error, unknown function "foo"
 464 </pre>
 465 </div>
 466
 467 </div>
 468
 469 <!-- *********************************************************************** -->
 470 <h2><a name="driver">Driver Changes and Closing Thoughts</a></h2>
 471 <!-- *********************************************************************** -->
 472
 473 <div>
 474
 475 <p>
 476 For now, code generation to LLVM doesn't really get us much, except that we can
 477 look at the pretty IR calls.  The sample code inserts calls to Codegen into the
 478 "<tt>Toplevel.main_loop</tt>", and then dumps out the LLVM IR.  This gives a
 479 nice way to look at the LLVM IR for simple functions.  For example:
 480 </p>
 481
 482 <div class="doc_code">
 483 <pre>
 484 ready&gt; <b>4+5</b>;
 485 Read top-level expression:
 486 define double @""() {
 487 entry:
 488         %addtmp = fadd double 4.000000e+00, 5.000000e+00
 489         ret double %addtmp
 490 }
 491 </pre>
 492 </div>
 493
 494 <p>Note how the parser turns the top-level expression into anonymous functions
 495 for us.  This will be handy when we add <a href="OCamlLangImpl4.html#jit">JIT
 496 support</a> in the next chapter.  Also note that the code is very literally
 497 transcribed, no optimizations are being performed.  We will
 498 <a href="OCamlLangImpl4.html#trivialconstfold">add optimizations</a> explicitly
 499 in the next chapter.</p>
 500
 501 <div class="doc_code">
 502 <pre>
 503 ready&gt; <b>def foo(a b) a*a + 2*a*b + b*b;</b>
 504 Read function definition:
 505 define double @foo(double %a, double %b) {
 506 entry:
 507         %multmp = fmul double %a, %a
 508         %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
 509         %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
 510         %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
 511         %multmp3 = fmul double %b, %b
 512         %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
 513         ret double %addtmp4
 514 }
 515 </pre>
 516 </div>
 517
 518 <p>This shows some simple arithmetic. Notice the striking similarity to the
 519 LLVM builder calls that we use to create the instructions.</p>
 520
 521 <div class="doc_code">
 522 <pre>
 523 ready&gt; <b>def bar(a) foo(a, 4.0) + bar(31337);</b>
 524 Read function definition:
 525 define double @bar(double %a) {
 526 entry:
 527         %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
 528         %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
 529         %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
 530         ret double %addtmp
 531 }
 532 </pre>
 533 </div>
 534
 535 <p>This shows some function calls.  Note that this function will take a long
 536 time to execute if you call it.  In the future we'll add conditional control
 537 flow to actually make recursion useful :).</p>
 538
 539 <div class="doc_code">
 540 <pre>
 541 ready&gt; <b>extern cos(x);</b>
 542 Read extern:
 543 declare double @cos(double)
 544
 545 ready&gt; <b>cos(1.234);</b>
 546 Read top-level expression:
 547 define double @""() {
 548 entry:
 549         %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
 550         ret double %calltmp
 551 }
 552 </pre>
 553 </div>
 554
 555 <p>This shows an extern for the libm "cos" function, and a call to it.</p>
 556
 557
 558 <div class="doc_code">
 559 <pre>
 560 ready&gt; <b>^D</b>
 561 ; ModuleID = 'my cool jit'
 562
 563 define double @""() {
 564 entry:
 565         %addtmp = fadd double 4.000000e+00, 5.000000e+00
 566         ret double %addtmp
 567 }
 568
 569 define double @foo(double %a, double %b) {
 570 entry:
 571         %multmp = fmul double %a, %a
 572         %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
 573         %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
 574         %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
 575         %multmp3 = fmul double %b, %b
 576         %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
 577         ret double %addtmp4
 578 }
 579
 580 define double @bar(double %a) {
 581 entry:
 582         %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
 583         %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
 584         %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
 585         ret double %addtmp
 586 }
 587
 588 declare double @cos(double)
 589
 590 define double @""() {
 591 entry:
 592         %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
 593         ret double %calltmp
 594 }
 595 </pre>
 596 </div>
 597
 598 <p>When you quit the current demo, it dumps out the IR for the entire module
 599 generated.  Here you can see the big picture with all the functions referencing
 600 each other.</p>
 601
 602 <p>This wraps up the third chapter of the Kaleidoscope tutorial.  Up next, we'll
 603 describe how to <a href="OCamlLangImpl4.html">add JIT codegen and optimizer
 604 support</a> to this so we can actually start running code!</p>
 605
 606 </div>
 607
 608
 609 <!-- *********************************************************************** -->
 610 <h2><a name="code">Full Code Listing</a></h2>
 611 <!-- *********************************************************************** -->
 612
 613 <div>
 614
 615 <p>
 616 Here is the complete code listing for our running example, enhanced with the
 617 LLVM code generator.    Because this uses the LLVM libraries, we need to link
 618 them in.  To do this, we use the <a
 619 href="http://llvm.org/cmds/llvm-config.html">llvm-config</a> tool to inform
 620 our makefile/command line about which options to use:</p>
 621
 622 <div class="doc_code">
 623 <pre>
 624 # Compile
 625 ocamlbuild toy.byte
 626 # Run
 627 ./toy.byte
 628 </pre>
 629 </div>
 630
 631 <p>Here is the code:</p>
 632
 633 <dl>
 634 <dt>_tags:</dt>
 635 <dd class="doc_code">
 636 <pre>
 637 &lt;{lexer,parser}.ml&gt;: use_camlp4, pp(camlp4of)
 638 &lt;*.{byte,native}&gt;: g++, use_llvm, use_llvm_analysis
 639 </pre>
 640 </dd>
 641
 642 <dt>myocamlbuild.ml:</dt>
 643 <dd class="doc_code">
 644 <pre>
 645 open Ocamlbuild_plugin;;
 646
 647 ocaml_lib ~extern:true "llvm";;
 648 ocaml_lib ~extern:true "llvm_analysis";;
 649
 650 flag ["link"; "ocaml"; "g++"] (S[A"-cc"; A"g++"]);;
 651 </pre>
 652 </dd>
 653
 654 <dt>token.ml:</dt>
 655 <dd class="doc_code">
 656 <pre>
 657 (*===----------------------------------------------------------------------===
 658  * Lexer Tokens
 659  *===----------------------------------------------------------------------===*)
 660
 661 (* The lexer returns these 'Kwd' if it is an unknown character, otherwise one of
 662  * these others for known things. *)
 663 type token =
 664   (* commands *)
 665   | Def | Extern
 666
 667   (* primary *)
 668   | Ident of string | Number of float
 669
 670   (* unknown *)
 671   | Kwd of char
 672 </pre>
 673 </dd>
 674
 675 <dt>lexer.ml:</dt>
 676 <dd class="doc_code">
 677 <pre>
 678 (*===----------------------------------------------------------------------===
 679  * Lexer
 680  *===----------------------------------------------------------------------===*)
 681
 682 let rec lex = parser
 683   (* Skip any whitespace. *)
 684   | [&lt; ' (' ' | '\n' | '\r' | '\t'); stream &gt;] -&gt; lex stream
 685
 686   (* identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9] *)
 687   | [&lt; ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' as c); stream &gt;] -&gt;
 688       let buffer = Buffer.create 1 in
 689       Buffer.add_char buffer c;
 690       lex_ident buffer stream
 691
 692   (* number: [0-9.]+ *)
 693   | [&lt; ' ('0' .. '9' as c); stream &gt;] -&gt;
 694       let buffer = Buffer.create 1 in
 695       Buffer.add_char buffer c;
 696       lex_number buffer stream
 697
 698   (* Comment until end of line. *)
 699   | [&lt; ' ('#'); stream &gt;] -&gt;
 700       lex_comment stream
 701
 702   (* Otherwise, just return the character as its ascii value. *)
 703   | [&lt; 'c; stream &gt;] -&gt;
 704       [&lt; 'Token.Kwd c; lex stream &gt;]
 705
 706   (* end of stream. *)
 707   | [&lt; &gt;] -&gt; [&lt; &gt;]
 708
 709 and lex_number buffer = parser
 710   | [&lt; ' ('0' .. '9' | '.' as c); stream &gt;] -&gt;
 711       Buffer.add_char buffer c;
 712       lex_number buffer stream
 713   | [&lt; stream=lex &gt;] -&gt;
 714       [&lt; 'Token.Number (float_of_string (Buffer.contents buffer)); stream &gt;]
 715
 716 and lex_ident buffer = parser
 717   | [&lt; ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' | '0' .. '9' as c); stream &gt;] -&gt;
 718       Buffer.add_char buffer c;
 719       lex_ident buffer stream
 720   | [&lt; stream=lex &gt;] -&gt;
 721       match Buffer.contents buffer with
 722       | "def" -&gt; [&lt; 'Token.Def; stream &gt;]
 723       | "extern" -&gt; [&lt; 'Token.Extern; stream &gt;]
 724       | id -&gt; [&lt; 'Token.Ident id; stream &gt;]
 725
 726 and lex_comment = parser
 727   | [&lt; ' ('\n'); stream=lex &gt;] -&gt; stream
 728   | [&lt; 'c; e=lex_comment &gt;] -&gt; e
 729   | [&lt; &gt;] -&gt; [&lt; &gt;]
 730 </pre>
 731 </dd>
 732
 733 <dt>ast.ml:</dt>
 734 <dd class="doc_code">
 735 <pre>
 736 (*===----------------------------------------------------------------------===
 737  * Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 738  *===----------------------------------------------------------------------===*)
 739
 740 (* expr - Base type for all expression nodes. *)
 741 type expr =
 742   (* variant for numeric literals like "1.0". *)
 743   | Number of float
 744
 745   (* variant for referencing a variable, like "a". *)
 746   | Variable of string
 747
 748   (* variant for a binary operator. *)
 749   | Binary of char * expr * expr
 750
 751   (* variant for function calls. *)
 752   | Call of string * expr array
 753
 754 (* proto - This type represents the "prototype" for a function, which captures
 755  * its name, and its argument names (thus implicitly the number of arguments the
 756  * function takes). *)
 757 type proto = Prototype of string * string array
 758
 759 (* func - This type represents a function definition itself. *)
 760 type func = Function of proto * expr
 761 </pre>
 762 </dd>
 763
 764 <dt>parser.ml:</dt>
 765 <dd class="doc_code">
 766 <pre>
 767 (*===---------------------------------------------------------------------===
 768  * Parser
 769  *===---------------------------------------------------------------------===*)
 770
 771 (* binop_precedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 772  * defined *)
 773 let binop_precedence:(char, int) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
 774
 775 (* precedence - Get the precedence of the pending binary operator token. *)
 776 let precedence c = try Hashtbl.find binop_precedence c with Not_found -&gt; -1
 777
 778 (* primary
 779  *   ::= identifier
 780  *   ::= numberexpr
 781  *   ::= parenexpr *)
 782 let rec parse_primary = parser
 783   (* numberexpr ::= number *)
 784   | [&lt; 'Token.Number n &gt;] -&gt; Ast.Number n
 785
 786   (* parenexpr ::= '(' expression ')' *)
 787   | [&lt; 'Token.Kwd '('; e=parse_expr; 'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'" &gt;] -&gt; e
 788
 789   (* identifierexpr
 790    *   ::= identifier
 791    *   ::= identifier '(' argumentexpr ')' *)
 792   | [&lt; 'Token.Ident id; stream &gt;] -&gt;
 793       let rec parse_args accumulator = parser
 794         | [&lt; e=parse_expr; stream &gt;] -&gt;
 795             begin parser
 796               | [&lt; 'Token.Kwd ','; e=parse_args (e :: accumulator) &gt;] -&gt; e
 797               | [&lt; &gt;] -&gt; e :: accumulator
 798             end stream
 799         | [&lt; &gt;] -&gt; accumulator
 800       in
 801       let rec parse_ident id = parser
 802         (* Call. *)
 803         | [&lt; 'Token.Kwd '(';
 804              args=parse_args [];
 805              'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'"&gt;] -&gt;
 806             Ast.Call (id, Array.of_list (List.rev args))
 807
 808         (* Simple variable ref. *)
 809         | [&lt; &gt;] -&gt; Ast.Variable id
 810       in
 811       parse_ident id stream
 812
 813   | [&lt; &gt;] -&gt; raise (Stream.Error "unknown token when expecting an expression.")
 814
 815 (* binoprhs
 816  *   ::= ('+' primary)* *)
 817 and parse_bin_rhs expr_prec lhs stream =
 818   match Stream.peek stream with
 819   (* If this is a binop, find its precedence. *)
 820   | Some (Token.Kwd c) when Hashtbl.mem binop_precedence c -&gt;
 821       let token_prec = precedence c in
 822
 823       (* If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 824        * consume it, otherwise we are done. *)
 825       if token_prec &lt; expr_prec then lhs else begin
 826         (* Eat the binop. *)
 827         Stream.junk stream;
 828
 829         (* Parse the primary expression after the binary operator. *)
 830         let rhs = parse_primary stream in
 831
 832         (* Okay, we know this is a binop. *)
 833         let rhs =
 834           match Stream.peek stream with
 835           | Some (Token.Kwd c2) -&gt;
 836               (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
 837                * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
 838               let next_prec = precedence c2 in
 839               if token_prec &lt; next_prec
 840               then parse_bin_rhs (token_prec + 1) rhs stream
 841               else rhs
 842           | _ -&gt; rhs
 843         in
 844
 845         (* Merge lhs/rhs. *)
 846         let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
 847         parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
 848       end
 849   | _ -&gt; lhs
 850
 851 (* expression
 852  *   ::= primary binoprhs *)
 853 and parse_expr = parser
 854   | [&lt; lhs=parse_primary; stream &gt;] -&gt; parse_bin_rhs 0 lhs stream
 855
 856 (* prototype
 857  *   ::= id '(' id* ')' *)
 858 let parse_prototype =
 859   let rec parse_args accumulator = parser
 860     | [&lt; 'Token.Ident id; e=parse_args (id::accumulator) &gt;] -&gt; e
 861     | [&lt; &gt;] -&gt; accumulator
 862   in
 863
 864   parser
 865   | [&lt; 'Token.Ident id;
 866        'Token.Kwd '(' ?? "expected '(' in prototype";
 867        args=parse_args [];
 868        'Token.Kwd ')' ?? "expected ')' in prototype" &gt;] -&gt;
 869       (* success. *)
 870       Ast.Prototype (id, Array.of_list (List.rev args))
 871
 872   | [&lt; &gt;] -&gt;
 873       raise (Stream.Error "expected function name in prototype")
 874
 875 (* definition ::= 'def' prototype expression *)
 876 let parse_definition = parser
 877   | [&lt; 'Token.Def; p=parse_prototype; e=parse_expr &gt;] -&gt;
 878       Ast.Function (p, e)
 879
 880 (* toplevelexpr ::= expression *)
 881 let parse_toplevel = parser
 882   | [&lt; e=parse_expr &gt;] -&gt;
 883       (* Make an anonymous proto. *)
 884       Ast.Function (Ast.Prototype ("", [||]), e)
 885
 886 (*  external ::= 'extern' prototype *)
 887 let parse_extern = parser
 888   | [&lt; 'Token.Extern; e=parse_prototype &gt;] -&gt; e
 889 </pre>
 890 </dd>
 891
 892 <dt>codegen.ml:</dt>
 893 <dd class="doc_code">
 894 <pre>
 895 (*===----------------------------------------------------------------------===
 896  * Code Generation
 897  *===----------------------------------------------------------------------===*)
 898
 899 open Llvm
 900
 901 exception Error of string
 902
 903 let context = global_context ()
 904 let the_module = create_module context "my cool jit"
 905 let builder = builder context
 906 let named_values:(string, llvalue) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
 907 let double_type = double_type context
 908
 909 let rec codegen_expr = function
 910   | Ast.Number n -&gt; const_float double_type n
 911   | Ast.Variable name -&gt;
 912       (try Hashtbl.find named_values name with
 913         | Not_found -&gt; raise (Error "unknown variable name"))
 914   | Ast.Binary (op, lhs, rhs) -&gt;
 915       let lhs_val = codegen_expr lhs in
 916       let rhs_val = codegen_expr rhs in
 917       begin
 918         match op with
 919         | '+' -&gt; build_add lhs_val rhs_val "addtmp" builder
 920         | '-' -&gt; build_sub lhs_val rhs_val "subtmp" builder
 921         | '*' -&gt; build_mul lhs_val rhs_val "multmp" builder
 922         | '&lt;' -&gt;
 923             (* Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0 *)
 924             let i = build_fcmp Fcmp.Ult lhs_val rhs_val "cmptmp" builder in
 925             build_uitofp i double_type "booltmp" builder
 926         | _ -&gt; raise (Error "invalid binary operator")
 927       end
 928   | Ast.Call (callee, args) -&gt;
 929       (* Look up the name in the module table. *)
 930       let callee =
 931         match lookup_function callee the_module with
 932         | Some callee -&gt; callee
 933         | None -&gt; raise (Error "unknown function referenced")
 934       in
 935       let params = params callee in
 936
 937       (* If argument mismatch error. *)
 938       if Array.length params == Array.length args then () else
 939         raise (Error "incorrect # arguments passed");
 940       let args = Array.map codegen_expr args in
 941       build_call callee args "calltmp" builder
 942
 943 let codegen_proto = function
 944   | Ast.Prototype (name, args) -&gt;
 945       (* Make the function type: double(double,double) etc. *)
 946       let doubles = Array.make (Array.length args) double_type in
 947       let ft = function_type double_type doubles in
 948       let f =
 949         match lookup_function name the_module with
 950         | None -&gt; declare_function name ft the_module
 951
 952         (* If 'f' conflicted, there was already something named 'name'. If it
 953          * has a body, don't allow redefinition or reextern. *)
 954         | Some f -&gt;
 955             (* If 'f' already has a body, reject this. *)
 956             if block_begin f &lt;&gt; At_end f then
 957               raise (Error "redefinition of function");
 958
 959             (* If 'f' took a different number of arguments, reject. *)
 960             if element_type (type_of f) &lt;&gt; ft then
 961               raise (Error "redefinition of function with different # args");
 962             f
 963       in
 964
 965       (* Set names for all arguments. *)
 966       Array.iteri (fun i a -&gt;
 967         let n = args.(i) in
 968         set_value_name n a;
 969         Hashtbl.add named_values n a;
 970       ) (params f);
 971       f
 972
 973 let codegen_func = function
 974   | Ast.Function (proto, body) -&gt;
 975       Hashtbl.clear named_values;
 976       let the_function = codegen_proto proto in
 977
 978       (* Create a new basic block to start insertion into. *)
 979       let bb = append_block context "entry" the_function in
 980       position_at_end bb builder;
 981
 982       try
 983         let ret_val = codegen_expr body in
 984
 985         (* Finish off the function. *)
 986         let _ = build_ret ret_val builder in
 987
 988         (* Validate the generated code, checking for consistency. *)
 989         Llvm_analysis.assert_valid_function the_function;
 990
 991         the_function
 992       with e -&gt;
 993         delete_function the_function;
 994         raise e
 995 </pre>
 996 </dd>
 997
 998 <dt>toplevel.ml:</dt>
 999 <dd class="doc_code">
1000 <pre>
1001 (*===----------------------------------------------------------------------===
1002  * Top-Level parsing and JIT Driver
1003  *===----------------------------------------------------------------------===*)
1004
1005 open Llvm
1006
1007 (* top ::= definition | external | expression | ';' *)
1008 let rec main_loop stream =
1009   match Stream.peek stream with
1010   | None -&gt; ()
1011
1012   (* ignore top-level semicolons. *)
1013   | Some (Token.Kwd ';') -&gt;
1014       Stream.junk stream;
1015       main_loop stream
1016
1017   | Some token -&gt;
1018       begin
1019         try match token with
1020         | Token.Def -&gt;
1021             let e = Parser.parse_definition stream in
1022             print_endline "parsed a function definition.";
1023             dump_value (Codegen.codegen_func e);
1024         | Token.Extern -&gt;
1025             let e = Parser.parse_extern stream in
1026             print_endline "parsed an extern.";
1027             dump_value (Codegen.codegen_proto e);
1028         | _ -&gt;
1029             (* Evaluate a top-level expression into an anonymous function. *)
1030             let e = Parser.parse_toplevel stream in
1031             print_endline "parsed a top-level expr";
1032             dump_value (Codegen.codegen_func e);
1033         with Stream.Error s | Codegen.Error s -&gt;
1034           (* Skip token for error recovery. *)
1035           Stream.junk stream;
1036           print_endline s;
1037       end;
1038       print_string "ready&gt; "; flush stdout;
1039       main_loop stream
1040 </pre>
1041 </dd>
1042
1043 <dt>toy.ml:</dt>
1044 <dd class="doc_code">
1045 <pre>
1046 (*===----------------------------------------------------------------------===
1047  * Main driver code.
1048  *===----------------------------------------------------------------------===*)
1049
1050 open Llvm
1051
1052 let main () =
1053   (* Install standard binary operators.
1054    * 1 is the lowest precedence. *)
1055   Hashtbl.add Parser.binop_precedence '&lt;' 10;
1056   Hashtbl.add Parser.binop_precedence '+' 20;
1057   Hashtbl.add Parser.binop_precedence '-' 20;
1058   Hashtbl.add Parser.binop_precedence '*' 40;    (* highest. *)
1059
1060   (* Prime the first token. *)
1061   print_string "ready&gt; "; flush stdout;
1062   let stream = Lexer.lex (Stream.of_channel stdin) in
1063
1064   (* Run the main "interpreter loop" now. *)
1065   Toplevel.main_loop stream;
1066
1067   (* Print out all the generated code. *)
1068   dump_module Codegen.the_module
1069 ;;
1070
1071 main ()
1072 </pre>
1073 </dd>
1074 </dl>
1075
1076 <a href="OCamlLangImpl4.html">Next: Adding JIT and Optimizer Support</a>
1077 </div>
1078
1079 <!-- *********************************************************************** -->
1080 <hr>
1081 <address>
1082   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
1083   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss" alt="Valid CSS!"></a>
1084   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
1085   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401" alt="Valid HTML 4.01!"></a>
1086
1087   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
1088   <a href="mailto:idadesub@users.sourceforge.net">Erick Tryzelaar</a><br>
1089   <a href="http://llvm.org/">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
1090   Last modified: $Date$
1091 </address>
1092 </body>
1093 </html>