docs/tutorial/LangImpl8.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: Conclusion and other useful LLVM tidbits</title>
   7   <meta http-equiv="Content-Type" content="text/html; charset=utf-8">
   8   <meta name="author" content="Chris Lattner">
   9   <link rel="stylesheet" href="../llvm.css" type="text/css">
  10 </head>
  11
  12 <body>
  13
  14 <div class="doc_title">Kaleidoscope: Conclusion and other useful LLVM
  15  tidbits</div>
  16
  17 <ul>
  18 <li><a href="index.html">Up to Tutorial Index</a></li>
  19 <li>Chapter 8
  20   <ol>
  21     <li><a href="#conclusion">Tutorial Conclusion</a></li>
  22     <li><a href="#llvmirproperties">Properties of LLVM IR</a>
  23     <ul>
  24       <li><a href="#targetindep">Target Independence</a></li>
  25       <li><a href="#safety">Safety Guarantees</a></li>
  26       <li><a href="#langspecific">Language-Specific Optimizations</a></li>
  27     </ul>
  28     </li>
  29     <li><a href="#tipsandtricks">Tips and Tricks</a>
  30     <ul>
  31       <li><a href="#offsetofsizeof">Implementing portable
  32                                     offsetof/sizeof</a></li>
  33       <li><a href="#gcstack">Garbage Collected Stack Frames</a></li>
  34     </ul>
  35     </li>
  36   </ol>
  37 </li>
  38 </ul>
  39
  40
  41 <div class="doc_author">
  42   <p>Written by <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a></p>
  43 </div>
  44
  45 <!-- *********************************************************************** -->
  46 <div class="doc_section"><a name="conclusion">Tutorial Conclusion</a></div>
  47 <!-- *********************************************************************** -->
  48
  49 <div class="doc_text">
  50
  51 <p>Welcome to the the final chapter of the "<a href="index.html">Implementing a
  52 language with LLVM</a>" tutorial.  In the course of this tutorial, we have grown
  53 our little Kaleidoscope language from being a useless toy, to being a
  54 semi-interesting (but probably still useless) toy. :)</p>
  55
  56 <p>It is interesting to see how far we've come, and how little code it has
  57 taken.  We built the entire lexer, parser, AST, code generator, and an
  58 interactive run-loop (with a JIT!) by-hand in under 700 lines of
  59 (non-comment/non-blank) code.</p>
  60
  61 <p>Our little language supports a couple of interesting features: it supports
  62 user defined binary and unary operators, it uses JIT compilation for immediate
  63 evaluation, and it supports a few control flow constructs with SSA construction.
  64 </p>
  65
  66 <p>Part of the idea of this tutorial was to show you how easy and fun it can be
  67 to define, build, and play with languages.  Building a compiler need not be a
  68 scary or mystical process!  Now that you've seen some of the basics, I strongly
  69 encourage you to take the code and hack on it.  For example, try adding:</p>
  70
  71 <ul>
  72 <li><b>global variables</b> - While global variables have questional value in
  73 modern software engineering, they are often useful when putting together quick
  74 little hacks like the Kaleidoscope compiler itself.  Fortunately, our current
  75 setup makes it very easy to add global variables: just have value lookup check
  76 to see if an unresolved variable is in the global variable symbol table before
  77 rejecting it.  To create a new global variable, make an instance of the LLVM
  78 <tt>GlobalVariable</tt> class.</li>
  79
  80 <li><b>typed variables</b> - Kaleidoscope currently only supports variables of
  81 type double.  This gives the language a very nice elegance, because only
  82 supporting one type means that you never have to specify types.  Different
  83 languages have different ways of handling this.  The easiest way is to require
  84 the user to specify types for every variable definition, and record the type
  85 of the variable in the symbol table along with its Value*.</li>
  86
  87 <li><b>arrays, structs, vectors, etc</b> - Once you add types, you can start
  88 extending the type system in all sorts of interesting ways.  Simple arrays are
  89 very easy and are quite useful for many different applications.  Adding them is
  90 mostly an exercise in learning how the LLVM <a
  91 href="../LangRef.html#i_getelementptr">getelementptr</a> instruction works: it
  92 is so nifty/unconventional, it <a
  93 href="../GetElementPtr.html">has its own FAQ</a>!  If you add support
  94 for recursive types (e.g. linked lists), make sure to read the <a
  95 href="../ProgrammersManual.html#TypeResolve">section in the LLVM
  96 Programmer's Manual</a> that describes how to construct them.</li>
  97
  98 <li><b>standard runtime</b> - Our current language allows the user to access
  99 arbitrary external functions, and we use it for things like "printd" and
 100 "putchard".  As you extend the language to add higher-level constructs, often
 101 these constructs make the most sense if they are lowered to calls into a
 102 language-supplied runtime.  For example, if you add hash tables to the language,
 103 it would probably make sense to add the routines to a runtime, instead of
 104 inlining them all the way.</li>
 105
 106 <li><b>memory management</b> - Currently we can only access the stack in
 107 Kaleidoscope.  It would also be useful to be able to allocate heap memory,
 108 either with calls to the standard libc malloc/free interface or with a garbage
 109 collector.  If you would like to use garbage collection, note that LLVM fully
 110 supports <a href="../GarbageCollection.html">Accurate Garbage Collection</a>
 111 including algorithms that move objects and need to scan/update the stack.</li>
 112
 113 <li><b>debugger support</b> - LLVM supports generation of <a
 114 href="../SourceLevelDebugging.html">DWARF Debug info</a> which is understood by
 115 common debuggers like GDB.  Adding support for debug info is fairly
 116 straightforward.  The best way to understand it is to compile some C/C++ code
 117 with "<tt>llvm-gcc -g -O0</tt>" and taking a look at what it produces.</li>
 118
 119 <li><b>exception handling support</b> - LLVM supports generation of <a
 120 href="../ExceptionHandling.html">zero cost exceptions</a> which interoperate
 121 with code compiled in other languages.  You could also generate code by
 122 implicitly making every function return an error value and checking it.  You
 123 could also make explicit use of setjmp/longjmp.  There are many different ways
 124 to go here.</li>
 125
 126 <li><b>object orientation, generics, database access, complex numbers,
 127 geometric programming, ...</b> - Really, there is
 128 no end of crazy features that you can add to the language.</li>
 129
 130 <li><b>unusual domains</b> - We've been talking about applying LLVM to a domain
 131 that many people are interested in: building a compiler for a specific language.
 132 However, there are many other domains that can use compiler technology that are
 133 not typically considered.  For example, LLVM has been used to implement OpenGL
 134 graphics acceleration, translate C++ code to ActionScript, and many other
 135 cute and clever things.  Maybe you will be the first to JIT compile a regular
 136 expression interpreter into native code with LLVM?</li>
 137
 138 </ul>
 139
 140 <p>
 141 Have fun - try doing something crazy and unusual.  Building a language like
 142 everyone else always has, is much less fun than trying something a little crazy
 143 or off the wall and seeing how it turns out.  If you get stuck or want to talk
 144 about it, feel free to email the <a
 145 href="http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvmdev">llvmdev mailing
 146 list</a>: it has lots of people who are interested in languages and are often
 147 willing to help out.
 148 </p>
 149
 150 <p>Before we end this tutorial, I want to talk about some "tips and tricks" for generating
 151 LLVM IR.  These are some of the more subtle things that may not be obvious, but
 152 are very useful if you want to take advantage of LLVM's capabilities.</p>
 153
 154 </div>
 155
 156 <!-- *********************************************************************** -->
 157 <div class="doc_section"><a name="llvmirproperties">Properties of the LLVM
 158 IR</a></div>
 159 <!-- *********************************************************************** -->
 160
 161 <div class="doc_text">
 162
 163 <p>We have a couple common questions about code in the LLVM IR form - lets just
 164 get these out of the way right now, shall we?</p>
 165
 166 </div>
 167
 168 <!-- ======================================================================= -->
 169 <div class="doc_subsubsection"><a name="targetindep">Target
 170 Independence</a></div>
 171 <!-- ======================================================================= -->
 172
 173 <div class="doc_text">
 174
 175 <p>Kaleidoscope is an example of a "portable language": any program written in
 176 Kaleidoscope will work the same way on any target that it runs on.  Many other
 177 languages have this property, e.g. lisp, java, haskell, javascript, python, etc
 178 (note that while these languages are portable, not all their libraries are).</p>
 179
 180 <p>One nice aspect of LLVM is that it is often capable of preserving target
 181 independence in the IR: you can take the LLVM IR for a Kaleidoscope-compiled
 182 program and run it on any target that LLVM supports, even emitting C code and
 183 compiling that on targets that LLVM doesn't support natively.  You can trivially
 184 tell that the Kaleidoscope compiler generates target-independent code because it
 185 never queries for any target-specific information when generating code.</p>
 186
 187 <p>The fact that LLVM provides a compact, target-independent, representation for
 188 code gets a lot of people excited.  Unfortunately, these people are usually
 189 thinking about C or a language from the C family when they are asking questions
 190 about language portability.  I say "unfortunately", because there is really no
 191 way to make (fully general) C code portable, other than shipping the source code
 192 around (and of course, C source code is not actually portable in general
 193 either - ever port a really old application from 32- to 64-bits?).</p>
 194
 195 <p>The problem with C (again, in its full generality) is that it is heavily
 196 laden with target specific assumptions.  As one simple example, the preprocessor
 197 often destructively removes target-independence from the code when it processes
 198 the input text:</p>
 199
 200 <div class="doc_code">
 201 <pre>
 202 #ifdef __i386__
 203   int X = 1;
 204 #else
 205   int X = 42;
 206 #endif
 207 </pre>
 208 </div>
 209
 210 <p>While it is possible to engineer more and more complex solutions to problems
 211 like this, it cannot be solved in full generality in a way that is better than shipping
 212 the actual source code.</p>
 213
 214 <p>That said, there are interesting subsets of C that can be made portable.  If
 215 you are willing to fix primitive types to a fixed size (say int = 32-bits,
 216 and long = 64-bits), don't care about ABI compatibility with existing binaries,
 217 and are willing to give up some other minor features, you can have portable
 218 code.  This can make sense for specialized domains such as an
 219 in-kernel language.</p>
 220
 221 </div>
 222
 223 <!-- ======================================================================= -->
 224 <div class="doc_subsubsection"><a name="safety">Safety Guarantees</a></div>
 225 <!-- ======================================================================= -->
 226
 227 <div class="doc_text">
 228
 229 <p>Many of the languages above are also "safe" languages: it is impossible for
 230 a program written in Java to corrupt its address space and crash the process
 231 (assuming the JVM has no bugs).
 232 Safety is an interesting property that requires a combination of language
 233 design, runtime support, and often operating system support.</p>
 234
 235 <p>It is certainly possible to implement a safe language in LLVM, but LLVM IR
 236 does not itself guarantee safety.  The LLVM IR allows unsafe pointer casts,
 237 use after free bugs, buffer over-runs, and a variety of other problems.  Safety
 238 needs to be implemented as a layer on top of LLVM and, conveniently, several
 239 groups have investigated this.  Ask on the <a
 240 href="http://lists.cs.uiuc.edu/mailman/listinfo/llvmdev">llvmdev mailing
 241 list</a> if you are interested in more details.</p>
 242
 243 </div>
 244
 245 <!-- ======================================================================= -->
 246 <div class="doc_subsubsection"><a name="langspecific">Language-Specific
 247 Optimizations</a></div>
 248 <!-- ======================================================================= -->
 249
 250 <div class="doc_text">
 251
 252 <p>One thing about LLVM that turns off many people is that it does not solve all
 253 the world's problems in one system (sorry 'world hunger', someone else will have
 254 to solve you some other day).  One specific complaint is that people perceive
 255 LLVM as being incapable of performing high-level language-specific optimization:
 256 LLVM "loses too much information".</p>
 257
 258 <p>Unfortunately, this is really not the place to give you a full and unified
 259 version of "Chris Lattner's theory of compiler design".  Instead, I'll make a
 260 few observations:</p>
 261
 262 <p>First, you're right that LLVM does lose information.  For example, as of this
 263 writing, there is no way to distinguish in the LLVM IR whether an SSA-value came
 264 from a C "int" or a C "long" on an ILP32 machine (other than debug info).  Both
 265 get compiled down to an 'i32' value and the information about what it came from
 266 is lost.  The more general issue here, is that the LLVM type system uses
 267 "structural equivalence" instead of "name equivalence".  Another place this
 268 surprises people is if you have two types in a high-level language that have the
 269 same structure (e.g. two different structs that have a single int field): these
 270 types will compile down into a single LLVM type and it will be impossible to
 271 tell what it came from.</p>
 272
 273 <p>Second, while LLVM does lose information, LLVM is not a fixed target: we
 274 continue to enhance and improve it in many different ways.  In addition to
 275 adding new features (LLVM did not always support exceptions or debug info), we
 276 also extend the IR to capture important information for optimization (e.g.
 277 whether an argument is sign or zero extended, information about pointers
 278 aliasing, etc).  Many of the enhancements are user-driven: people want LLVM to
 279 include some specific feature, so they go ahead and extend it.</p>
 280
 281 <p>Third, it is <em>possible and easy</em> to add language-specific
 282 optimizations, and you have a number of choices in how to do it.  As one trivial
 283 example, it is easy to add language-specific optimization passes that
 284 "know" things about code compiled for a language.  In the case of the C family,
 285 there is an optimization pass that "knows" about the standard C library
 286 functions.  If you call "exit(0)" in main(), it knows that it is safe to
 287 optimize that into "return 0;" because C specifies what the 'exit'
 288 function does.</p>
 289
 290 <p>In addition to simple library knowledge, it is possible to embed a variety of
 291 other language-specific information into the LLVM IR.  If you have a specific
 292 need and run into a wall, please bring the topic up on the llvmdev list.  At the
 293 very worst, you can always treat LLVM as if it were a "dumb code generator" and
 294 implement the high-level optimizations you desire in your front-end, on the
 295 language-specific AST.
 296 </p>
 297
 298 </div>
 299
 300 <!-- *********************************************************************** -->
 301 <div class="doc_section"><a name="tipsandtricks">Tips and Tricks</a></div>
 302 <!-- *********************************************************************** -->
 303
 304 <div class="doc_text">
 305
 306 <p>There is a variety of useful tips and tricks that you come to know after
 307 working on/with LLVM that aren't obvious at first glance.  Instead of letting
 308 everyone rediscover them, this section talks about some of these issues.</p>
 309
 310 </div>
 311
 312 <!-- ======================================================================= -->
 313 <div class="doc_subsubsection"><a name="offsetofsizeof">Implementing portable
 314 offsetof/sizeof</a></div>
 315 <!-- ======================================================================= -->
 316
 317 <div class="doc_text">
 318
 319 <p>One interesting thing that comes up, if you are trying to keep the code
 320 generated by your compiler "target independent", is that you often need to know
 321 the size of some LLVM type or the offset of some field in an llvm structure.
 322 For example, you might need to pass the size of a type into a function that
 323 allocates memory.</p>
 324
 325 <p>Unfortunately, this can vary widely across targets: for example the width of
 326 a pointer is trivially target-specific.  However, there is a <a
 327 href="http://nondot.org/sabre/LLVMNotes/SizeOf-OffsetOf-VariableSizedStructs.txt">clever
 328 way to use the getelementptr instruction</a> that allows you to compute this
 329 in a portable way.</p>
 330
 331 </div>
 332
 333 <!-- ======================================================================= -->
 334 <div class="doc_subsubsection"><a name="gcstack">Garbage Collected
 335 Stack Frames</a></div>
 336 <!-- ======================================================================= -->
 337
 338 <div class="doc_text">
 339
 340 <p>Some languages want to explicitly manage their stack frames, often so that
 341 they are garbage collected or to allow easy implementation of closures.  There
 342 are often better ways to implement these features than explicit stack frames,
 343 but <a
 344 href="http://nondot.org/sabre/LLVMNotes/ExplicitlyManagedStackFrames.txt">LLVM
 345 does support them,</a> if you want.  It requires your front-end to convert the
 346 code into <a
 347 href="http://en.wikipedia.org/wiki/Continuation-passing_style">Continuation
 348 Passing Style</a> and the use of tail calls (which LLVM also supports).</p>
 349
 350 </div>
 351
 352 <!-- *********************************************************************** -->
 353 <hr>
 354 <address>
 355   <a href="http://jigsaw.w3.org/css-validator/check/referer"><img
 356   src="http://jigsaw.w3.org/css-validator/images/vcss" alt="Valid CSS!"></a>
 357   <a href="http://validator.w3.org/check/referer"><img
 358   src="http://www.w3.org/Icons/valid-html401" alt="Valid HTML 4.01!"></a>
 359
 360   <a href="mailto:sabre@nondot.org">Chris Lattner</a><br>
 361   <a href="http://llvm.org">The LLVM Compiler Infrastructure</a><br>
 362   Last modified: $Date: 2007-10-17 11:05:13 -0700 (Wed, 17 Oct 2007) $
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