Clarify the documentation a bit.
[oota-llvm.git] / tools / llvmc / doc / LLVMC-Reference.rst
1 ===================================
2 Customizing LLVMC: Reference Manual
3 ===================================
4 ..
5    This file was automatically generated by rst2html.
6    Please do not edit directly!
7    The ReST source lives in the directory 'tools/llvmc/doc'.
8
9 .. contents::
10
11 .. raw:: html
12
13    <div class="doc_author">
14    <p>Written by <a href="mailto:foldr@codedgers.com">Mikhail Glushenkov</a></p>
15    </div>
16
17 Introduction
18 ============
19
20 LLVMC is a generic compiler driver, designed to be customizable and
21 extensible. It plays the same role for LLVM as the ``gcc`` program
22 does for GCC - LLVMC's job is essentially to transform a set of input
23 files into a set of targets depending on configuration rules and user
24 options. What makes LLVMC different is that these transformation rules
25 are completely customizable - in fact, LLVMC knows nothing about the
26 specifics of transformation (even the command-line options are mostly
27 not hard-coded) and regards the transformation structure as an
28 abstract graph. The structure of this graph is completely determined
29 by plugins, which can be either statically or dynamically linked. This
30 makes it possible to easily adapt LLVMC for other purposes - for
31 example, as a build tool for game resources.
32
33 Because LLVMC employs TableGen_ as its configuration language, you
34 need to be familiar with it to customize LLVMC.
35
36 .. _TableGen: http://llvm.cs.uiuc.edu/docs/TableGenFundamentals.html
37
38
39 Compiling with LLVMC
40 ====================
41
42 LLVMC tries hard to be as compatible with ``gcc`` as possible,
43 although there are some small differences. Most of the time, however,
44 you shouldn't be able to notice them::
45
46      $ # This works as expected:
47      $ llvmc -O3 -Wall hello.cpp
48      $ ./a.out
49      hello
50
51 One nice feature of LLVMC is that one doesn't have to distinguish
52 between different compilers for different languages (think ``g++`` and
53 ``gcc``) - the right toolchain is chosen automatically based on input
54 language names (which are, in turn, determined from file
55 extensions). If you want to force files ending with ".c" to compile as
56 C++, use the ``-x`` option, just like you would do it with ``gcc``::
57
58       $ # hello.c is really a C++ file
59       $ llvmc -x c++ hello.c
60       $ ./a.out
61       hello
62
63 On the other hand, when using LLVMC as a linker to combine several C++
64 object files you should provide the ``--linker`` option since it's
65 impossible for LLVMC to choose the right linker in that case::
66
67     $ llvmc -c hello.cpp
68     $ llvmc hello.o
69     [A lot of link-time errors skipped]
70     $ llvmc --linker=c++ hello.o
71     $ ./a.out
72     hello
73
74 By default, LLVMC uses ``llvm-gcc`` to compile the source code. It is
75 also possible to choose the work-in-progress ``clang`` compiler with
76 the ``-clang`` option.
77
78
79 Predefined options
80 ==================
81
82 LLVMC has some built-in options that can't be overridden in the
83 configuration libraries:
84
85 * ``-o FILE`` - Output file name.
86
87 * ``-x LANGUAGE`` - Specify the language of the following input files
88   until the next -x option.
89
90 * ``-load PLUGIN_NAME`` - Load the specified plugin DLL. Example:
91   ``-load $LLVM_DIR/Release/lib/LLVMCSimple.so``.
92
93 * ``-v`` - Enable verbose mode, i.e. print out all executed commands.
94
95 * ``--check-graph`` - Check the compilation for common errors like
96   mismatched output/input language names, multiple default edges and
97   cycles. Hidden option, useful for debugging.
98
99 * ``--view-graph`` - Show a graphical representation of the compilation
100   graph. Requires that you have ``dot`` and ``gv`` programs
101   installed. Hidden option, useful for debugging.
102
103 * ``--write-graph`` - Write a ``compilation-graph.dot`` file in the
104   current directory with the compilation graph description in the
105   Graphviz format. Hidden option, useful for debugging.
106
107 * ``--save-temps`` - Write temporary files to the current directory
108   and do not delete them on exit. Hidden option, useful for debugging.
109
110 * ``--help``, ``--help-hidden``, ``--version`` - These options have
111   their standard meaning.
112
113
114 Compiling LLVMC plugins
115 =======================
116
117 It's easiest to start working on your own LLVMC plugin by copying the
118 skeleton project which lives under ``$LLVMC_DIR/plugins/Simple``::
119
120    $ cd $LLVMC_DIR/plugins
121    $ cp -r Simple MyPlugin
122    $ cd MyPlugin
123    $ ls
124    Makefile PluginMain.cpp Simple.td
125
126 As you can see, our basic plugin consists of only two files (not
127 counting the build script). ``Simple.td`` contains TableGen
128 description of the compilation graph; its format is documented in the
129 following sections. ``PluginMain.cpp`` is just a helper file used to
130 compile the auto-generated C++ code produced from TableGen source. It
131 can also contain hook definitions (see `below`__).
132
133 __ hooks_
134
135 The first thing that you should do is to change the ``LLVMC_PLUGIN``
136 variable in the ``Makefile`` to avoid conflicts (since this variable
137 is used to name the resulting library)::
138
139    LLVMC_PLUGIN=MyPlugin
140
141 It is also a good idea to rename ``Simple.td`` to something less
142 generic::
143
144    $ mv Simple.td MyPlugin.td
145
146 Note that the plugin source directory must be placed under
147 ``$LLVMC_DIR/plugins`` to make use of the existing build
148 infrastructure. To build a version of the LLVMC executable called
149 ``mydriver`` with your plugin compiled in, use the following command::
150
151    $ cd $LLVMC_DIR
152    $ make BUILTIN_PLUGINS=MyPlugin DRIVER_NAME=mydriver
153
154 To build your plugin as a dynamic library, just ``cd`` to its source
155 directory and run ``make``. The resulting file will be called
156 ``LLVMC$(LLVMC_PLUGIN).$(DLL_EXTENSION)`` (in our case,
157 ``LLVMCMyPlugin.so``). This library can be then loaded in with the
158 ``-load`` option. Example::
159
160     $ cd $LLVMC_DIR/plugins/Simple
161     $ make
162     $ llvmc -load $LLVM_DIR/Release/lib/LLVMCSimple.so
163
164 Sometimes, you will want a 'bare-bones' version of LLVMC that has no
165 built-in plugins. It can be compiled with the following command::
166
167     $ cd $LLVMC_DIR
168     $ make BUILTIN_PLUGINS=""
169
170
171 Customizing LLVMC: the compilation graph
172 ========================================
173
174 Each TableGen configuration file should include the common
175 definitions::
176
177    include "llvm/CompilerDriver/Common.td"
178
179 Internally, LLVMC stores information about possible source
180 transformations in form of a graph. Nodes in this graph represent
181 tools, and edges between two nodes represent a transformation path. A
182 special "root" node is used to mark entry points for the
183 transformations. LLVMC also assigns a weight to each edge (more on
184 this later) to choose between several alternative edges.
185
186 The definition of the compilation graph (see file
187 ``plugins/Base/Base.td`` for an example) is just a list of edges::
188
189     def CompilationGraph : CompilationGraph<[
190         Edge<"root", "llvm_gcc_c">,
191         Edge<"root", "llvm_gcc_assembler">,
192         ...
193
194         Edge<"llvm_gcc_c", "llc">,
195         Edge<"llvm_gcc_cpp", "llc">,
196         ...
197
198         OptionalEdge<"llvm_gcc_c", "opt", (case (switch_on "opt"),
199                                           (inc_weight))>,
200         OptionalEdge<"llvm_gcc_cpp", "opt", (case (switch_on "opt"),
201                                                   (inc_weight))>,
202         ...
203
204         OptionalEdge<"llvm_gcc_assembler", "llvm_gcc_cpp_linker",
205             (case (input_languages_contain "c++"), (inc_weight),
206                   (or (parameter_equals "linker", "g++"),
207                       (parameter_equals "linker", "c++")), (inc_weight))>,
208         ...
209
210         ]>;
211
212 As you can see, the edges can be either default or optional, where
213 optional edges are differentiated by an additional ``case`` expression
214 used to calculate the weight of this edge. Notice also that we refer
215 to tools via their names (as strings). This makes it possible to add
216 edges to an existing compilation graph in plugins without having to
217 know about all tool definitions used in the graph.
218
219 The default edges are assigned a weight of 1, and optional edges get a
220 weight of 0 + 2*N where N is the number of tests that evaluated to
221 true in the ``case`` expression. It is also possible to provide an
222 integer parameter to ``inc_weight`` and ``dec_weight`` - in this case,
223 the weight is increased (or decreased) by the provided value instead
224 of the default 2. It is also possible to change the default weight of
225 an optional edge by using the ``default`` clause of the ``case``
226 construct.
227
228 When passing an input file through the graph, LLVMC picks the edge
229 with the maximum weight. To avoid ambiguity, there should be only one
230 default edge between two nodes (with the exception of the root node,
231 which gets a special treatment - there you are allowed to specify one
232 default edge *per language*).
233
234 When multiple plugins are loaded, their compilation graphs are merged
235 together. Since multiple edges that have the same end nodes are not
236 allowed (i.e. the graph is not a multigraph), an edge defined in
237 several plugins will be replaced by the definition from the plugin
238 that was loaded last. Plugin load order can be controlled by using the
239 plugin priority feature described above.
240
241 To get a visual representation of the compilation graph (useful for
242 debugging), run ``llvmc --view-graph``. You will need ``dot`` and
243 ``gsview`` installed for this to work properly.
244
245 Describing options
246 ==================
247
248 Command-line options that the plugin supports are defined by using an
249 ``OptionList``::
250
251     def Options : OptionList<[
252     (switch_option "E", (help "Help string")),
253     (alias_option "quiet", "q")
254     ...
255     ]>;
256
257 As you can see, the option list is just a list of DAGs, where each DAG
258 is an option description consisting of the option name and some
259 properties. A plugin can define more than one option list (they are
260 all merged together in the end), which can be handy if one wants to
261 separate option groups syntactically.
262
263 * Possible option types:
264
265    - ``switch_option`` - a simple boolean switch without arguments,
266      for example ``-O2`` or ``-time``.
267
268    - ``parameter_option`` - option that takes one argument, for
269      example ``-std=c99``. It is also allowed to use spaces instead of
270      the equality sign: ``-std c99``.
271
272    - ``parameter_list_option`` - same as the above, but more than one
273      option occurence is allowed.
274
275    - ``prefix_option`` - same as the parameter_option, but the option
276      name and argument do not have to be separated. Example:
277      ``-ofile``. This can be also specified as ``-o file``; however,
278      ``-o=file`` will be parsed incorrectly (``=file`` will be
279      interpreted as option value).
280
281    - ``prefix_list_option`` - same as the above, but more than one
282      occurence of the option is allowed; example: ``-lm -lpthread``.
283
284    - ``alias_option`` - a special option type for creating
285      aliases. Unlike other option types, aliases are not allowed to
286      have any properties besides the aliased option name. Usage
287      example: ``(alias_option "preprocess", "E")``
288
289
290 * Possible option properties:
291
292    - ``help`` - help string associated with this option. Used for
293      ``--help`` output.
294
295    - ``required`` - this option is obligatory.
296
297    - ``hidden`` - this option should not appear in the ``--help``
298      output (but should appear in the ``--help-hidden`` output).
299
300    - ``really_hidden`` - the option should not appear in any help
301      output.
302
303    - ``extern`` - this option is defined in some other plugin, see below.
304
305 External options
306 ----------------
307
308 Sometimes, when linking several plugins together, one plugin needs to
309 access options defined in some other plugin. Because of the way
310 options are implemented, such options should be marked as
311 ``extern``. This is what the ``extern`` option property is
312 for. Example::
313
314      ...
315      (switch_option "E", (extern))
316      ...
317
318 See also the section on plugin `priorities`__.
319
320 __ priorities_
321
322 .. _case:
323
324 Conditional evaluation
325 ======================
326
327 The 'case' construct is the main means by which programmability is
328 achieved in LLVMC. It can be used to calculate edge weights, program
329 actions and modify the shell commands to be executed. The 'case'
330 expression is designed after the similarly-named construct in
331 functional languages and takes the form ``(case (test_1), statement_1,
332 (test_2), statement_2, ... (test_N), statement_N)``. The statements
333 are evaluated only if the corresponding tests evaluate to true.
334
335 Examples::
336
337     // Edge weight calculation
338
339     // Increases edge weight by 5 if "-A" is provided on the
340     // command-line, and by 5 more if "-B" is also provided.
341     (case
342         (switch_on "A"), (inc_weight 5),
343         (switch_on "B"), (inc_weight 5))
344
345
346     // Tool command line specification
347
348     // Evaluates to "cmdline1" if the option "-A" is provided on the
349     // command line; to "cmdline2" if "-B" is provided;
350     // otherwise to "cmdline3".
351
352     (case
353         (switch_on "A"), "cmdline1",
354         (switch_on "B"), "cmdline2",
355         (default), "cmdline3")
356
357 Note the slight difference in 'case' expression handling in contexts
358 of edge weights and command line specification - in the second example
359 the value of the ``"B"`` switch is never checked when switch ``"A"`` is
360 enabled, and the whole expression always evaluates to ``"cmdline1"`` in
361 that case.
362
363 Case expressions can also be nested, i.e. the following is legal::
364
365     (case (switch_on "E"), (case (switch_on "o"), ..., (default), ...)
366           (default), ...)
367
368 You should, however, try to avoid doing that because it hurts
369 readability. It is usually better to split tool descriptions and/or
370 use TableGen inheritance instead.
371
372 * Possible tests are:
373
374   - ``switch_on`` - Returns true if a given command-line switch is
375     provided by the user. Example: ``(switch_on "opt")``.
376
377   - ``parameter_equals`` - Returns true if a command-line parameter equals
378     a given value.
379     Example: ``(parameter_equals "W", "all")``.
380
381   - ``element_in_list`` - Returns true if a command-line parameter
382     list contains a given value.
383     Example: ``(parameter_in_list "l", "pthread")``.
384
385   - ``input_languages_contain`` - Returns true if a given language
386     belongs to the current input language set.
387     Example: ``(input_languages_contain "c++")``.
388
389   - ``in_language`` - Evaluates to true if the input file language
390     equals to the argument. At the moment works only with ``cmd_line``
391     and ``actions`` (on non-join nodes).
392     Example: ``(in_language "c++")``.
393
394   - ``not_empty`` - Returns true if a given option (which should be
395     either a parameter or a parameter list) is set by the
396     user.
397     Example: ``(not_empty "o")``.
398
399   - ``empty`` - The opposite of ``not_empty``. Equivalent to ``(not (not_empty
400     X))``. Provided for convenience.
401
402   - ``default`` - Always evaluates to true. Should always be the last
403     test in the ``case`` expression.
404
405   - ``and`` - A standard logical combinator that returns true iff all
406     of its arguments return true. Used like this: ``(and (test1),
407     (test2), ... (testN))``. Nesting of ``and`` and ``or`` is allowed,
408     but not encouraged.
409
410   - ``or`` - Another logical combinator that returns true only if any
411     one of its arguments returns true. Example: ``(or (test1),
412     (test2), ... (testN))``.
413
414
415 Writing a tool description
416 ==========================
417
418 As was said earlier, nodes in the compilation graph represent tools,
419 which are described separately. A tool definition looks like this
420 (taken from the ``include/llvm/CompilerDriver/Tools.td`` file)::
421
422   def llvm_gcc_cpp : Tool<[
423       (in_language "c++"),
424       (out_language "llvm-assembler"),
425       (output_suffix "bc"),
426       (cmd_line "llvm-g++ -c $INFILE -o $OUTFILE -emit-llvm"),
427       (sink)
428       ]>;
429
430 This defines a new tool called ``llvm_gcc_cpp``, which is an alias for
431 ``llvm-g++``. As you can see, a tool definition is just a list of
432 properties; most of them should be self-explanatory. The ``sink``
433 property means that this tool should be passed all command-line
434 options that aren't mentioned in the option list.
435
436 The complete list of all currently implemented tool properties follows.
437
438 * Possible tool properties:
439
440   - ``in_language`` - input language name. Can be either a string or a
441     list, in case the tool supports multiple input languages.
442
443   - ``out_language`` - output language name. Tools are not allowed to
444     have multiple output languages.
445
446   - ``output_suffix`` - output file suffix. Can also be changed
447     dynamically, see documentation on actions.
448
449   - ``cmd_line`` - the actual command used to run the tool. You can
450     use ``$INFILE`` and ``$OUTFILE`` variables, output redirection
451     with ``>``, hook invocations (``$CALL``), environment variables
452     (via ``$ENV``) and the ``case`` construct.
453
454   - ``join`` - this tool is a "join node" in the graph, i.e. it gets a
455     list of input files and joins them together. Used for linkers.
456
457   - ``sink`` - all command-line options that are not handled by other
458     tools are passed to this tool.
459
460   - ``actions`` - A single big ``case`` expression that specifies how
461     this tool reacts on command-line options (described in more detail
462     below).
463
464 Actions
465 -------
466
467 A tool often needs to react to command-line options, and this is
468 precisely what the ``actions`` property is for. The next example
469 illustrates this feature::
470
471   def llvm_gcc_linker : Tool<[
472       (in_language "object-code"),
473       (out_language "executable"),
474       (output_suffix "out"),
475       (cmd_line "llvm-gcc $INFILE -o $OUTFILE"),
476       (join),
477       (actions (case (not_empty "L"), (forward "L"),
478                      (not_empty "l"), (forward "l"),
479                      (not_empty "dummy"),
480                                [(append_cmd "-dummy1"), (append_cmd "-dummy2")])
481       ]>;
482
483 The ``actions`` tool property is implemented on top of the omnipresent
484 ``case`` expression. It associates one or more different *actions*
485 with given conditions - in the example, the actions are ``forward``,
486 which forwards a given option unchanged, and ``append_cmd``, which
487 appends a given string to the tool execution command. Multiple actions
488 can be associated with a single condition by using a list of actions
489 (used in the example to append some dummy options). The same ``case``
490 construct can also be used in the ``cmd_line`` property to modify the
491 tool command line.
492
493 The "join" property used in the example means that this tool behaves
494 like a linker.
495
496 The list of all possible actions follows.
497
498 * Possible actions:
499
500    - ``append_cmd`` - append a string to the tool invocation
501      command.
502      Example: ``(case (switch_on "pthread"), (append_cmd
503      "-lpthread"))``
504
505    - ``error` - exit with error.
506      Example: ``(error "Mixing -c and -S is not allowed!")``.
507
508    - ``forward`` - forward an option unchanged.
509      Example: ``(forward "Wall")``.
510
511    - ``forward_as`` - Change the name of an option, but forward the
512      argument unchanged.
513      Example: ``(forward_as "O0" "--disable-optimization")``.
514
515    - ``output_suffix`` - modify the output suffix of this
516      tool.
517      Example: ``(output_suffix "i")``.
518
519    - ``stop_compilation`` - stop compilation after this tool processes
520      its input. Used without arguments.
521
522    - ``unpack_values`` - used for for splitting and forwarding
523      comma-separated lists of options, e.g. ``-Wa,-foo=bar,-baz`` is
524      converted to ``-foo=bar -baz`` and appended to the tool invocation
525      command.
526      Example: ``(unpack_values "Wa,")``.
527
528 Language map
529 ============
530
531 If you are adding support for a new language to LLVMC, you'll need to
532 modify the language map, which defines mappings from file extensions
533 to language names. It is used to choose the proper toolchain(s) for a
534 given input file set. Language map definition looks like this::
535
536     def LanguageMap : LanguageMap<
537         [LangToSuffixes<"c++", ["cc", "cp", "cxx", "cpp", "CPP", "c++", "C"]>,
538          LangToSuffixes<"c", ["c"]>,
539          ...
540         ]>;
541
542 For example, without those definitions the following command wouldn't work::
543
544     $ llvmc hello.cpp
545     llvmc: Unknown suffix: cpp
546
547 The language map entries should be added only for tools that are
548 linked with the root node. Since tools are not allowed to have
549 multiple output languages, for nodes "inside" the graph the input and
550 output languages should match. This is enforced at compile-time.
551
552
553 More advanced topics
554 ====================
555
556 .. _hooks:
557
558 Hooks and environment variables
559 -------------------------------
560
561 Normally, LLVMC executes programs from the system ``PATH``. Sometimes,
562 this is not sufficient: for example, we may want to specify tool names
563 in the configuration file. This can be achieved via the mechanism of
564 hooks - to write your own hooks, just add their definitions to the
565 ``PluginMain.cpp`` or drop a ``.cpp`` file into the
566 ``$LLVMC_DIR/driver`` directory. Hooks should live in the ``hooks``
567 namespace and have the signature ``std::string hooks::MyHookName
568 (void)``. They can be used from the ``cmd_line`` tool property::
569
570     (cmd_line "$CALL(MyHook)/path/to/file -o $CALL(AnotherHook)")
571
572 It is also possible to use environment variables in the same manner::
573
574    (cmd_line "$ENV(VAR1)/path/to/file -o $ENV(VAR2)")
575
576 To change the command line string based on user-provided options use
577 the ``case`` expression (documented `above`__)::
578
579     (cmd_line
580       (case
581         (switch_on "E"),
582            "llvm-g++ -E -x c $INFILE -o $OUTFILE",
583         (default),
584            "llvm-g++ -c -x c $INFILE -o $OUTFILE -emit-llvm"))
585
586 __ case_
587
588 .. _priorities:
589
590 How plugins are loaded
591 ----------------------
592
593 It is possible for LLVMC plugins to depend on each other. For example,
594 one can create edges between nodes defined in some other plugin. To
595 make this work, however, that plugin should be loaded first. To
596 achieve this, the concept of plugin priority was introduced. By
597 default, every plugin has priority zero; to specify the priority
598 explicitly, put the following line in your plugin's TableGen file::
599
600     def Priority : PluginPriority<$PRIORITY_VALUE>;
601     # Where PRIORITY_VALUE is some integer > 0
602
603 Plugins are loaded in order of their (increasing) priority, starting
604 with 0. Therefore, the plugin with the highest priority value will be
605 loaded last.
606
607 Debugging
608 ---------
609
610 When writing LLVMC plugins, it can be useful to get a visual view of
611 the resulting compilation graph. This can be achieved via the command
612 line option ``--view-graph``. This command assumes that Graphviz_ and
613 Ghostview_ are installed. There is also a ``--dump-graph`` option that
614 creates a Graphviz source file (``compilation-graph.dot``) in the
615 current directory.
616
617 Another useful option is ``--check-graph``. It checks the compilation
618 graph for common errors like mismatched output/input language names,
619 multiple default edges and cycles. These checks can't be performed at
620 compile-time because the plugins can load code dynamically. When
621 invoked with ``--check-graph``, ``llvmc`` doesn't perform any
622 compilation tasks and returns the number of encountered errors as its
623 status code.
624
625 .. _Graphviz: http://www.graphviz.org/
626 .. _Ghostview: http://pages.cs.wisc.edu/~ghost/
627
628 .. raw:: html
629
630    <hr />
631    <address>
632    <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer">
633    <img src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss-blue"
634       alt="Valid CSS" /></a>
635    <a href="http://validator.w3.org/check?uri=referer">
636    <img src="http://www.w3.org/Icons/valid-xhtml10-blue"
637       alt="Valid XHTML 1.0 Transitional"/></a>
638
639    <a href="mailto:foldr@codedgers.com">Mikhail Glushenkov</a><br />
640    <a href="http://llvm.org">LLVM Compiler Infrastructure</a><br />
641
642    Last modified: $Date: 2008-12-11 11:34:48 -0600 (Thu, 11 Dec 2008) $
643    </address>