LLVM tutorial: fix broken links/anchors
[oota-llvm.git] / docs / tutorial / LangImpl3.rst
1 ========================================
2 Kaleidoscope: Code generation to LLVM IR
3 ========================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Chapter 3 Introduction
9 ======================
10
11 Welcome to Chapter 3 of the "`Implementing a language with
12 LLVM <index.html>`_" tutorial. This chapter shows you how to transform
13 the `Abstract Syntax Tree <LangImpl2.html>`_, built in Chapter 2, into
14 LLVM IR. This will teach you a little bit about how LLVM does things, as
15 well as demonstrate how easy it is to use. It's much more work to build
16 a lexer and parser than it is to generate LLVM IR code. :)
17
18 **Please note**: the code in this chapter and later require LLVM 3.7 or
19 later. LLVM 3.6 and before will not work with it. Also note that you
20 need to use a version of this tutorial that matches your LLVM release:
21 If you are using an official LLVM release, use the version of the
22 documentation included with your release or on the `llvm.org releases
23 page <http://llvm.org/releases/>`_.
24
25 Code Generation Setup
26 =====================
27
28 In order to generate LLVM IR, we want some simple setup to get started.
29 First we define virtual code generation (codegen) methods in each AST
30 class:
31
32 .. code-block:: c++
33
34     /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
35     class ExprAST {
36     public:
37       virtual ~ExprAST() {}
38       virtual Value *codegen() = 0;
39     };
40
41     /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
42     class NumberExprAST : public ExprAST {
43       double Val;
44
45     public:
46       NumberExprAST(double Val) : Val(Val) {}
47       virtual Value *codegen();
48     };
49     ...
50
51 The codegen() method says to emit IR for that AST node along with all
52 the things it depends on, and they all return an LLVM Value object.
53 "Value" is the class used to represent a "`Static Single Assignment
54 (SSA) <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_
55 register" or "SSA value" in LLVM. The most distinct aspect of SSA values
56 is that their value is computed as the related instruction executes, and
57 it does not get a new value until (and if) the instruction re-executes.
58 In other words, there is no way to "change" an SSA value. For more
59 information, please read up on `Static Single
60 Assignment <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_
61 - the concepts are really quite natural once you grok them.
62
63 Note that instead of adding virtual methods to the ExprAST class
64 hierarchy, it could also make sense to use a `visitor
65 pattern <http://en.wikipedia.org/wiki/Visitor_pattern>`_ or some other
66 way to model this. Again, this tutorial won't dwell on good software
67 engineering practices: for our purposes, adding a virtual method is
68 simplest.
69
70 The second thing we want is an "Error" method like we used for the
71 parser, which will be used to report errors found during code generation
72 (for example, use of an undeclared parameter):
73
74 .. code-block:: c++
75
76     static std::unique_ptr<Module> *TheModule;
77     static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
78     static std::map<std::string, Value*> NamedValues;
79
80     Value *ErrorV(const char *Str) {
81       Error(Str);
82       return nullptr;
83     }
84
85 The static variables will be used during code generation. ``TheModule``
86 is an LLVM construct that contains functions and global variables. In many
87 ways, it is the top-level structure that the LLVM IR uses to contain code.
88 It will own the memory for all of the IR that we generate, which is why
89 the codegen() method returns a raw Value\*, rather than a unique_ptr<Value>.
90
91 The ``Builder`` object is a helper object that makes it easy to generate
92 LLVM instructions. Instances of the
93 `IRBuilder <http://llvm.org/doxygen/IRBuilder_8h-source.html>`_
94 class template keep track of the current place to insert instructions
95 and has methods to create new instructions.
96
97 The ``NamedValues`` map keeps track of which values are defined in the
98 current scope and what their LLVM representation is. (In other words, it
99 is a symbol table for the code). In this form of Kaleidoscope, the only
100 things that can be referenced are function parameters. As such, function
101 parameters will be in this map when generating code for their function
102 body.
103
104 With these basics in place, we can start talking about how to generate
105 code for each expression. Note that this assumes that the ``Builder``
106 has been set up to generate code *into* something. For now, we'll assume
107 that this has already been done, and we'll just use it to emit code.
108
109 Expression Code Generation
110 ==========================
111
112 Generating LLVM code for expression nodes is very straightforward: less
113 than 45 lines of commented code for all four of our expression nodes.
114 First we'll do numeric literals:
115
116 .. code-block:: c++
117
118     Value *NumberExprAST::codegen() {
119       return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
120     }
121
122 In the LLVM IR, numeric constants are represented with the
123 ``ConstantFP`` class, which holds the numeric value in an ``APFloat``
124 internally (``APFloat`` has the capability of holding floating point
125 constants of Arbitrary Precision). This code basically just creates
126 and returns a ``ConstantFP``. Note that in the LLVM IR that constants
127 are all uniqued together and shared. For this reason, the API uses the
128 "foo::get(...)" idiom instead of "new foo(..)" or "foo::Create(..)".
129
130 .. code-block:: c++
131
132     Value *VariableExprAST::codegen() {
133       // Look this variable up in the function.
134       Value *V = NamedValues[Name];
135       if (!V)
136         ErrorV("Unknown variable name");
137       return V;
138     }
139
140 References to variables are also quite simple using LLVM. In the simple
141 version of Kaleidoscope, we assume that the variable has already been
142 emitted somewhere and its value is available. In practice, the only
143 values that can be in the ``NamedValues`` map are function arguments.
144 This code simply checks to see that the specified name is in the map (if
145 not, an unknown variable is being referenced) and returns the value for
146 it. In future chapters, we'll add support for `loop induction
147 variables <LangImpl5.html#for-loop-expression>`_ in the symbol table, and for `local
148 variables <LangImpl7.html#user-defined-local-variables>`_.
149
150 .. code-block:: c++
151
152     Value *BinaryExprAST::codegen() {
153       Value *L = LHS->codegen();
154       Value *R = RHS->codegen();
155       if (!L || !R)
156         return nullptr;
157
158       switch (Op) {
159       case '+':
160         return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
161       case '-':
162         return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
163       case '*':
164         return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
165       case '<':
166         L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
167         // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
168         return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
169                                     "booltmp");
170       default:
171         return ErrorV("invalid binary operator");
172       }
173     }
174
175 Binary operators start to get more interesting. The basic idea here is
176 that we recursively emit code for the left-hand side of the expression,
177 then the right-hand side, then we compute the result of the binary
178 expression. In this code, we do a simple switch on the opcode to create
179 the right LLVM instruction.
180
181 In the example above, the LLVM builder class is starting to show its
182 value. IRBuilder knows where to insert the newly created instruction,
183 all you have to do is specify what instruction to create (e.g. with
184 ``CreateFAdd``), which operands to use (``L`` and ``R`` here) and
185 optionally provide a name for the generated instruction.
186
187 One nice thing about LLVM is that the name is just a hint. For instance,
188 if the code above emits multiple "addtmp" variables, LLVM will
189 automatically provide each one with an increasing, unique numeric
190 suffix. Local value names for instructions are purely optional, but it
191 makes it much easier to read the IR dumps.
192
193 `LLVM instructions <../LangRef.html#instruction-reference>`_ are constrained by strict
194 rules: for example, the Left and Right operators of an `add
195 instruction <../LangRef.html#add-instruction>`_ must have the same type, and the
196 result type of the add must match the operand types. Because all values
197 in Kaleidoscope are doubles, this makes for very simple code for add,
198 sub and mul.
199
200 On the other hand, LLVM specifies that the `fcmp
201 instruction <../LangRef.html#fcmp-instruction>`_ always returns an 'i1' value (a
202 one bit integer). The problem with this is that Kaleidoscope wants the
203 value to be a 0.0 or 1.0 value. In order to get these semantics, we
204 combine the fcmp instruction with a `uitofp
205 instruction <../LangRef.html#uitofp-to-instruction>`_. This instruction converts its
206 input integer into a floating point value by treating the input as an
207 unsigned value. In contrast, if we used the `sitofp
208 instruction <../LangRef.html#sitofp-to-instruction>`_, the Kaleidoscope '<' operator
209 would return 0.0 and -1.0, depending on the input value.
210
211 .. code-block:: c++
212
213     Value *CallExprAST::codegen() {
214       // Look up the name in the global module table.
215       Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
216       if (!CalleeF)
217         return ErrorV("Unknown function referenced");
218
219       // If argument mismatch error.
220       if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
221         return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
222
223       std::vector<Value *> ArgsV;
224       for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
225         ArgsV.push_back(Args[i]->codegen());
226         if (!ArgsV.back())
227           return nullptr;
228       }
229
230       return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
231     }
232
233 Code generation for function calls is quite straightforward with LLVM. The code
234 above initially does a function name lookup in the LLVM Module's symbol table.
235 Recall that the LLVM Module is the container that holds the functions we are
236 JIT'ing. By giving each function the same name as what the user specifies, we
237 can use the LLVM symbol table to resolve function names for us.
238
239 Once we have the function to call, we recursively codegen each argument
240 that is to be passed in, and create an LLVM `call
241 instruction <../LangRef.html#call-instruction>`_. Note that LLVM uses the native C
242 calling conventions by default, allowing these calls to also call into
243 standard library functions like "sin" and "cos", with no additional
244 effort.
245
246 This wraps up our handling of the four basic expressions that we have so
247 far in Kaleidoscope. Feel free to go in and add some more. For example,
248 by browsing the `LLVM language reference <../LangRef.html>`_ you'll find
249 several other interesting instructions that are really easy to plug into
250 our basic framework.
251
252 Function Code Generation
253 ========================
254
255 Code generation for prototypes and functions must handle a number of
256 details, which make their code less beautiful than expression code
257 generation, but allows us to illustrate some important points. First,
258 lets talk about code generation for prototypes: they are used both for
259 function bodies and external function declarations. The code starts
260 with:
261
262 .. code-block:: c++
263
264     Function *PrototypeAST::codegen() {
265       // Make the function type:  double(double,double) etc.
266       std::vector<Type*> Doubles(Args.size(),
267                                  Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
268       FunctionType *FT =
269         FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), Doubles, false);
270
271       Function *F =
272         Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
273
274 This code packs a lot of power into a few lines. Note first that this
275 function returns a "Function\*" instead of a "Value\*". Because a
276 "prototype" really talks about the external interface for a function
277 (not the value computed by an expression), it makes sense for it to
278 return the LLVM Function it corresponds to when codegen'd.
279
280 The call to ``FunctionType::get`` creates the ``FunctionType`` that
281 should be used for a given Prototype. Since all function arguments in
282 Kaleidoscope are of type double, the first line creates a vector of "N"
283 LLVM double types. It then uses the ``Functiontype::get`` method to
284 create a function type that takes "N" doubles as arguments, returns one
285 double as a result, and that is not vararg (the false parameter
286 indicates this). Note that Types in LLVM are uniqued just like Constants
287 are, so you don't "new" a type, you "get" it.
288
289 The final line above actually creates the IR Function corresponding to
290 the Prototype. This indicates the type, linkage and name to use, as
291 well as which module to insert into. "`external
292 linkage <../LangRef.html#linkage>`_" means that the function may be
293 defined outside the current module and/or that it is callable by
294 functions outside the module. The Name passed in is the name the user
295 specified: since "``TheModule``" is specified, this name is registered
296 in "``TheModule``"s symbol table.
297
298 .. code-block:: c++
299
300   // Set names for all arguments.
301   unsigned Idx = 0;
302   for (auto &Arg : F->args())
303     Arg.setName(Args[Idx++]);
304
305   return F;
306
307 Finally, we set the name of each of the function's arguments according to the
308 names given in the Prototype. This step isn't strictly necessary, but keeping
309 the names consistent makes the IR more readable, and allows subsequent code to
310 refer directly to the arguments for their names, rather than having to look up
311 them up in the Prototype AST.
312
313 At this point we have a function prototype with no body. This is how LLVM IR
314 represents function declarations. For extern statements in Kaleidoscope, this
315 is as far as we need to go. For function definitions however, we need to
316 codegen and attach a function body.
317
318 .. code-block:: c++
319
320   Function *FunctionAST::codegen() {
321       // First, check for an existing function from a previous 'extern' declaration.
322     Function *TheFunction = TheModule->getFunction(Proto->getName());
323
324     if (!TheFunction)
325       TheFunction = Proto->codegen();
326
327     if (!TheFunction)
328       return nullptr;
329
330     if (!TheFunction->empty())
331       return (Function*)ErrorV("Function cannot be redefined.");
332
333
334 For function definitions, we start by searching TheModule's symbol table for an
335 existing version of this function, in case one has already been created using an
336 'extern' statement. If Module::getFunction returns null then no previous version
337 exists, so we'll codegen one from the Prototype. In either case, we want to
338 assert that the function is empty (i.e. has no body yet) before we start.
339
340 .. code-block:: c++
341
342   // Create a new basic block to start insertion into.
343   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
344   Builder.SetInsertPoint(BB);
345
346   // Record the function arguments in the NamedValues map.
347   NamedValues.clear();
348   for (auto &Arg : TheFunction->args())
349     NamedValues[Arg.getName()] = &Arg;
350
351 Now we get to the point where the ``Builder`` is set up. The first line
352 creates a new `basic block <http://en.wikipedia.org/wiki/Basic_block>`_
353 (named "entry"), which is inserted into ``TheFunction``. The second line
354 then tells the builder that new instructions should be inserted into the
355 end of the new basic block. Basic blocks in LLVM are an important part
356 of functions that define the `Control Flow
357 Graph <http://en.wikipedia.org/wiki/Control_flow_graph>`_. Since we
358 don't have any control flow, our functions will only contain one block
359 at this point. We'll fix this in `Chapter 5 <LangImpl5.html>`_ :).
360
361 Next we add the function arguments to the NamedValues map (after first clearing
362 it out) so that they're accessible to ``VariableExprAST`` nodes.
363
364 .. code-block:: c++
365
366       if (Value *RetVal = Body->codegen()) {
367         // Finish off the function.
368         Builder.CreateRet(RetVal);
369
370         // Validate the generated code, checking for consistency.
371         verifyFunction(*TheFunction);
372
373         return TheFunction;
374       }
375
376 Once the insertion point has been set up and the NamedValues map populated,
377 we call the ``codegen()`` method for the root expression of the function. If no
378 error happens, this emits code to compute the expression into the entry block
379 and returns the value that was computed. Assuming no error, we then create an
380 LLVM `ret instruction <../LangRef.html#ret-instruction>`_, which completes the function.
381 Once the function is built, we call ``verifyFunction``, which is
382 provided by LLVM. This function does a variety of consistency checks on
383 the generated code, to determine if our compiler is doing everything
384 right. Using this is important: it can catch a lot of bugs. Once the
385 function is finished and validated, we return it.
386
387 .. code-block:: c++
388
389       // Error reading body, remove function.
390       TheFunction->eraseFromParent();
391       return nullptr;
392     }
393
394 The only piece left here is handling of the error case. For simplicity,
395 we handle this by merely deleting the function we produced with the
396 ``eraseFromParent`` method. This allows the user to redefine a function
397 that they incorrectly typed in before: if we didn't delete it, it would
398 live in the symbol table, with a body, preventing future redefinition.
399
400 This code does have a bug, though: If the ``FunctionAST::codegen()`` method
401 finds an existing IR Function, it does not validate its signature against the
402 definition's own prototype. This means that an earlier 'extern' declaration will
403 take precedence over the function definition's signature, which can cause
404 codegen to fail, for instance if the function arguments are named differently.
405 There are a number of ways to fix this bug, see what you can come up with! Here
406 is a testcase:
407
408 ::
409
410     extern foo(a);     # ok, defines foo.
411     def foo(b) b;      # Error: Unknown variable name. (decl using 'a' takes precedence).
412
413 Driver Changes and Closing Thoughts
414 ===================================
415
416 For now, code generation to LLVM doesn't really get us much, except that
417 we can look at the pretty IR calls. The sample code inserts calls to
418 codegen into the "``HandleDefinition``", "``HandleExtern``" etc
419 functions, and then dumps out the LLVM IR. This gives a nice way to look
420 at the LLVM IR for simple functions. For example:
421
422 ::
423
424     ready> 4+5;
425     Read top-level expression:
426     define double @0() {
427     entry:
428       ret double 9.000000e+00
429     }
430
431 Note how the parser turns the top-level expression into anonymous
432 functions for us. This will be handy when we add `JIT
433 support <LangImpl4.html#adding-a-jit-compiler>`_ in the next chapter. Also note that the
434 code is very literally transcribed, no optimizations are being performed
435 except simple constant folding done by IRBuilder. We will `add
436 optimizations <LangImpl4.html#trivial-constant-folding>`_ explicitly in the next
437 chapter.
438
439 ::
440
441     ready> def foo(a b) a*a + 2*a*b + b*b;
442     Read function definition:
443     define double @foo(double %a, double %b) {
444     entry:
445       %multmp = fmul double %a, %a
446       %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
447       %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
448       %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
449       %multmp3 = fmul double %b, %b
450       %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
451       ret double %addtmp4
452     }
453
454 This shows some simple arithmetic. Notice the striking similarity to the
455 LLVM builder calls that we use to create the instructions.
456
457 ::
458
459     ready> def bar(a) foo(a, 4.0) + bar(31337);
460     Read function definition:
461     define double @bar(double %a) {
462     entry:
463       %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
464       %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
465       %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
466       ret double %addtmp
467     }
468
469 This shows some function calls. Note that this function will take a long
470 time to execute if you call it. In the future we'll add conditional
471 control flow to actually make recursion useful :).
472
473 ::
474
475     ready> extern cos(x);
476     Read extern:
477     declare double @cos(double)
478
479     ready> cos(1.234);
480     Read top-level expression:
481     define double @1() {
482     entry:
483       %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
484       ret double %calltmp
485     }
486
487 This shows an extern for the libm "cos" function, and a call to it.
488
489 .. TODO:: Abandon Pygments' horrible `llvm` lexer. It just totally gives up
490    on highlighting this due to the first line.
491
492 ::
493
494     ready> ^D
495     ; ModuleID = 'my cool jit'
496
497     define double @0() {
498     entry:
499       %addtmp = fadd double 4.000000e+00, 5.000000e+00
500       ret double %addtmp
501     }
502
503     define double @foo(double %a, double %b) {
504     entry:
505       %multmp = fmul double %a, %a
506       %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
507       %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
508       %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
509       %multmp3 = fmul double %b, %b
510       %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
511       ret double %addtmp4
512     }
513
514     define double @bar(double %a) {
515     entry:
516       %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
517       %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
518       %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
519       ret double %addtmp
520     }
521
522     declare double @cos(double)
523
524     define double @1() {
525     entry:
526       %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
527       ret double %calltmp
528     }
529
530 When you quit the current demo, it dumps out the IR for the entire
531 module generated. Here you can see the big picture with all the
532 functions referencing each other.
533
534 This wraps up the third chapter of the Kaleidoscope tutorial. Up next,
535 we'll describe how to `add JIT codegen and optimizer
536 support <LangImpl4.html>`_ to this so we can actually start running
537 code!
538
539 Full Code Listing
540 =================
541
542 Here is the complete code listing for our running example, enhanced with
543 the LLVM code generator. Because this uses the LLVM libraries, we need
544 to link them in. To do this, we use the
545 `llvm-config <http://llvm.org/cmds/llvm-config.html>`_ tool to inform
546 our makefile/command line about which options to use:
547
548 .. code-block:: bash
549
550     # Compile
551     clang++ -g -O3 toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core` -o toy
552     # Run
553     ./toy
554
555 Here is the code:
556
557 .. literalinclude:: ../../examples/Kaleidoscope/Chapter3/toy.cpp
558    :language: c++
559
560 `Next: Adding JIT and Optimizer Support <LangImpl4.html>`_
561