LLVM tutorial: fix broken links/anchors
[oota-llvm.git] / docs / tutorial / OCamlLangImpl2.rst
1 ===========================================
2 Kaleidoscope: Implementing a Parser and AST
3 ===========================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Chapter 2 Introduction
9 ======================
10
11 Welcome to Chapter 2 of the "`Implementing a language with LLVM in
12 Objective Caml <index.html>`_" tutorial. This chapter shows you how to
13 use the lexer, built in `Chapter 1 <OCamlLangImpl1.html>`_, to build a
14 full `parser <http://en.wikipedia.org/wiki/Parsing>`_ for our
15 Kaleidoscope language. Once we have a parser, we'll define and build an
16 `Abstract Syntax
17 Tree <http://en.wikipedia.org/wiki/Abstract_syntax_tree>`_ (AST).
18
19 The parser we will build uses a combination of `Recursive Descent
20 Parsing <http://en.wikipedia.org/wiki/Recursive_descent_parser>`_ and
21 `Operator-Precedence
22 Parsing <http://en.wikipedia.org/wiki/Operator-precedence_parser>`_ to
23 parse the Kaleidoscope language (the latter for binary expressions and
24 the former for everything else). Before we get to parsing though, lets
25 talk about the output of the parser: the Abstract Syntax Tree.
26
27 The Abstract Syntax Tree (AST)
28 ==============================
29
30 The AST for a program captures its behavior in such a way that it is
31 easy for later stages of the compiler (e.g. code generation) to
32 interpret. We basically want one object for each construct in the
33 language, and the AST should closely model the language. In
34 Kaleidoscope, we have expressions, a prototype, and a function object.
35 We'll start with expressions first:
36
37 .. code-block:: ocaml
38
39     (* expr - Base type for all expression nodes. *)
40     type expr =
41       (* variant for numeric literals like "1.0". *)
42       | Number of float
43
44 The code above shows the definition of the base ExprAST class and one
45 subclass which we use for numeric literals. The important thing to note
46 about this code is that the Number variant captures the numeric value of
47 the literal as an instance variable. This allows later phases of the
48 compiler to know what the stored numeric value is.
49
50 Right now we only create the AST, so there are no useful functions on
51 them. It would be very easy to add a function to pretty print the code,
52 for example. Here are the other expression AST node definitions that
53 we'll use in the basic form of the Kaleidoscope language:
54
55 .. code-block:: ocaml
56
57       (* variant for referencing a variable, like "a". *)
58       | Variable of string
59
60       (* variant for a binary operator. *)
61       | Binary of char * expr * expr
62
63       (* variant for function calls. *)
64       | Call of string * expr array
65
66 This is all (intentionally) rather straight-forward: variables capture
67 the variable name, binary operators capture their opcode (e.g. '+'), and
68 calls capture a function name as well as a list of any argument
69 expressions. One thing that is nice about our AST is that it captures
70 the language features without talking about the syntax of the language.
71 Note that there is no discussion about precedence of binary operators,
72 lexical structure, etc.
73
74 For our basic language, these are all of the expression nodes we'll
75 define. Because it doesn't have conditional control flow, it isn't
76 Turing-complete; we'll fix that in a later installment. The two things
77 we need next are a way to talk about the interface to a function, and a
78 way to talk about functions themselves:
79
80 .. code-block:: ocaml
81
82     (* proto - This type represents the "prototype" for a function, which captures
83      * its name, and its argument names (thus implicitly the number of arguments the
84      * function takes). *)
85     type proto = Prototype of string * string array
86
87     (* func - This type represents a function definition itself. *)
88     type func = Function of proto * expr
89
90 In Kaleidoscope, functions are typed with just a count of their
91 arguments. Since all values are double precision floating point, the
92 type of each argument doesn't need to be stored anywhere. In a more
93 aggressive and realistic language, the "expr" variants would probably
94 have a type field.
95
96 With this scaffolding, we can now talk about parsing expressions and
97 function bodies in Kaleidoscope.
98
99 Parser Basics
100 =============
101
102 Now that we have an AST to build, we need to define the parser code to
103 build it. The idea here is that we want to parse something like "x+y"
104 (which is returned as three tokens by the lexer) into an AST that could
105 be generated with calls like this:
106
107 .. code-block:: ocaml
108
109       let x = Variable "x" in
110       let y = Variable "y" in
111       let result = Binary ('+', x, y) in
112       ...
113
114 The error handling routines make use of the builtin ``Stream.Failure``
115 and ``Stream.Error``s. ``Stream.Failure`` is raised when the parser is
116 unable to find any matching token in the first position of a pattern.
117 ``Stream.Error`` is raised when the first token matches, but the rest do
118 not. The error recovery in our parser will not be the best and is not
119 particular user-friendly, but it will be enough for our tutorial. These
120 exceptions make it easier to handle errors in routines that have various
121 return types.
122
123 With these basic types and exceptions, we can implement the first piece
124 of our grammar: numeric literals.
125
126 Basic Expression Parsing
127 ========================
128
129 We start with numeric literals, because they are the simplest to
130 process. For each production in our grammar, we'll define a function
131 which parses that production. We call this class of expressions
132 "primary" expressions, for reasons that will become more clear `later in
133 the tutorial <OCamlLangImpl6.html#user-defined-unary-operators>`_. In order to parse an
134 arbitrary primary expression, we need to determine what sort of
135 expression it is. For numeric literals, we have:
136
137 .. code-block:: ocaml
138
139     (* primary
140      *   ::= identifier
141      *   ::= numberexpr
142      *   ::= parenexpr *)
143     parse_primary = parser
144       (* numberexpr ::= number *)
145       | [< 'Token.Number n >] -> Ast.Number n
146
147 This routine is very simple: it expects to be called when the current
148 token is a ``Token.Number`` token. It takes the current number value,
149 creates a ``Ast.Number`` node, advances the lexer to the next token, and
150 finally returns.
151
152 There are some interesting aspects to this. The most important one is
153 that this routine eats all of the tokens that correspond to the
154 production and returns the lexer buffer with the next token (which is
155 not part of the grammar production) ready to go. This is a fairly
156 standard way to go for recursive descent parsers. For a better example,
157 the parenthesis operator is defined like this:
158
159 .. code-block:: ocaml
160
161       (* parenexpr ::= '(' expression ')' *)
162       | [< 'Token.Kwd '('; e=parse_expr; 'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'" >] -> e
163
164 This function illustrates a number of interesting things about the
165 parser:
166
167 1) It shows how we use the ``Stream.Error`` exception. When called, this
168 function expects that the current token is a '(' token, but after
169 parsing the subexpression, it is possible that there is no ')' waiting.
170 For example, if the user types in "(4 x" instead of "(4)", the parser
171 should emit an error. Because errors can occur, the parser needs a way
172 to indicate that they happened. In our parser, we use the camlp4
173 shortcut syntax ``token ?? "parse error"``, where if the token before
174 the ``??`` does not match, then ``Stream.Error "parse error"`` will be
175 raised.
176
177 2) Another interesting aspect of this function is that it uses recursion
178 by calling ``Parser.parse_primary`` (we will soon see that
179 ``Parser.parse_primary`` can call ``Parser.parse_primary``). This is
180 powerful because it allows us to handle recursive grammars, and keeps
181 each production very simple. Note that parentheses do not cause
182 construction of AST nodes themselves. While we could do it this way, the
183 most important role of parentheses are to guide the parser and provide
184 grouping. Once the parser constructs the AST, parentheses are not
185 needed.
186
187 The next simple production is for handling variable references and
188 function calls:
189
190 .. code-block:: ocaml
191
192       (* identifierexpr
193        *   ::= identifier
194        *   ::= identifier '(' argumentexpr ')' *)
195       | [< 'Token.Ident id; stream >] ->
196           let rec parse_args accumulator = parser
197             | [< e=parse_expr; stream >] ->
198                 begin parser
199                   | [< 'Token.Kwd ','; e=parse_args (e :: accumulator) >] -> e
200                   | [< >] -> e :: accumulator
201                 end stream
202             | [< >] -> accumulator
203           in
204           let rec parse_ident id = parser
205             (* Call. *)
206             | [< 'Token.Kwd '(';
207                  args=parse_args [];
208                  'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'">] ->
209                 Ast.Call (id, Array.of_list (List.rev args))
210
211             (* Simple variable ref. *)
212             | [< >] -> Ast.Variable id
213           in
214           parse_ident id stream
215
216 This routine follows the same style as the other routines. (It expects
217 to be called if the current token is a ``Token.Ident`` token). It also
218 has recursion and error handling. One interesting aspect of this is that
219 it uses *look-ahead* to determine if the current identifier is a stand
220 alone variable reference or if it is a function call expression. It
221 handles this by checking to see if the token after the identifier is a
222 '(' token, constructing either a ``Ast.Variable`` or ``Ast.Call`` node
223 as appropriate.
224
225 We finish up by raising an exception if we received a token we didn't
226 expect:
227
228 .. code-block:: ocaml
229
230       | [< >] -> raise (Stream.Error "unknown token when expecting an expression.")
231
232 Now that basic expressions are handled, we need to handle binary
233 expressions. They are a bit more complex.
234
235 Binary Expression Parsing
236 =========================
237
238 Binary expressions are significantly harder to parse because they are
239 often ambiguous. For example, when given the string "x+y\*z", the parser
240 can choose to parse it as either "(x+y)\*z" or "x+(y\*z)". With common
241 definitions from mathematics, we expect the later parse, because "\*"
242 (multiplication) has higher *precedence* than "+" (addition).
243
244 There are many ways to handle this, but an elegant and efficient way is
245 to use `Operator-Precedence
246 Parsing <http://en.wikipedia.org/wiki/Operator-precedence_parser>`_.
247 This parsing technique uses the precedence of binary operators to guide
248 recursion. To start with, we need a table of precedences:
249
250 .. code-block:: ocaml
251
252     (* binop_precedence - This holds the precedence for each binary operator that is
253      * defined *)
254     let binop_precedence:(char, int) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
255
256     (* precedence - Get the precedence of the pending binary operator token. *)
257     let precedence c = try Hashtbl.find binop_precedence c with Not_found -> -1
258
259     ...
260
261     let main () =
262       (* Install standard binary operators.
263        * 1 is the lowest precedence. *)
264       Hashtbl.add Parser.binop_precedence '<' 10;
265       Hashtbl.add Parser.binop_precedence '+' 20;
266       Hashtbl.add Parser.binop_precedence '-' 20;
267       Hashtbl.add Parser.binop_precedence '*' 40;    (* highest. *)
268       ...
269
270 For the basic form of Kaleidoscope, we will only support 4 binary
271 operators (this can obviously be extended by you, our brave and intrepid
272 reader). The ``Parser.precedence`` function returns the precedence for
273 the current token, or -1 if the token is not a binary operator. Having a
274 ``Hashtbl.t`` makes it easy to add new operators and makes it clear that
275 the algorithm doesn't depend on the specific operators involved, but it
276 would be easy enough to eliminate the ``Hashtbl.t`` and do the
277 comparisons in the ``Parser.precedence`` function. (Or just use a
278 fixed-size array).
279
280 With the helper above defined, we can now start parsing binary
281 expressions. The basic idea of operator precedence parsing is to break
282 down an expression with potentially ambiguous binary operators into
283 pieces. Consider, for example, the expression "a+b+(c+d)\*e\*f+g".
284 Operator precedence parsing considers this as a stream of primary
285 expressions separated by binary operators. As such, it will first parse
286 the leading primary expression "a", then it will see the pairs [+, b]
287 [+, (c+d)] [\*, e] [\*, f] and [+, g]. Note that because parentheses are
288 primary expressions, the binary expression parser doesn't need to worry
289 about nested subexpressions like (c+d) at all.
290
291 To start, an expression is a primary expression potentially followed by
292 a sequence of [binop,primaryexpr] pairs:
293
294 .. code-block:: ocaml
295
296     (* expression
297      *   ::= primary binoprhs *)
298     and parse_expr = parser
299       | [< lhs=parse_primary; stream >] -> parse_bin_rhs 0 lhs stream
300
301 ``Parser.parse_bin_rhs`` is the function that parses the sequence of
302 pairs for us. It takes a precedence and a pointer to an expression for
303 the part that has been parsed so far. Note that "x" is a perfectly valid
304 expression: As such, "binoprhs" is allowed to be empty, in which case it
305 returns the expression that is passed into it. In our example above, the
306 code passes the expression for "a" into ``Parser.parse_bin_rhs`` and the
307 current token is "+".
308
309 The precedence value passed into ``Parser.parse_bin_rhs`` indicates the
310 *minimal operator precedence* that the function is allowed to eat. For
311 example, if the current pair stream is [+, x] and
312 ``Parser.parse_bin_rhs`` is passed in a precedence of 40, it will not
313 consume any tokens (because the precedence of '+' is only 20). With this
314 in mind, ``Parser.parse_bin_rhs`` starts with:
315
316 .. code-block:: ocaml
317
318     (* binoprhs
319      *   ::= ('+' primary)* *)
320     and parse_bin_rhs expr_prec lhs stream =
321       match Stream.peek stream with
322       (* If this is a binop, find its precedence. *)
323       | Some (Token.Kwd c) when Hashtbl.mem binop_precedence c ->
324           let token_prec = precedence c in
325
326           (* If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
327            * consume it, otherwise we are done. *)
328           if token_prec < expr_prec then lhs else begin
329
330 This code gets the precedence of the current token and checks to see if
331 if is too low. Because we defined invalid tokens to have a precedence of
332 -1, this check implicitly knows that the pair-stream ends when the token
333 stream runs out of binary operators. If this check succeeds, we know
334 that the token is a binary operator and that it will be included in this
335 expression:
336
337 .. code-block:: ocaml
338
339             (* Eat the binop. *)
340             Stream.junk stream;
341
342             (* Parse the primary expression after the binary operator *)
343             let rhs = parse_primary stream in
344
345             (* Okay, we know this is a binop. *)
346             let rhs =
347               match Stream.peek stream with
348               | Some (Token.Kwd c2) ->
349
350 As such, this code eats (and remembers) the binary operator and then
351 parses the primary expression that follows. This builds up the whole
352 pair, the first of which is [+, b] for the running example.
353
354 Now that we parsed the left-hand side of an expression and one pair of
355 the RHS sequence, we have to decide which way the expression associates.
356 In particular, we could have "(a+b) binop unparsed" or "a + (b binop
357 unparsed)". To determine this, we look ahead at "binop" to determine its
358 precedence and compare it to BinOp's precedence (which is '+' in this
359 case):
360
361 .. code-block:: ocaml
362
363                   (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
364                    * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
365                   let next_prec = precedence c2 in
366                   if token_prec < next_prec
367
368 If the precedence of the binop to the right of "RHS" is lower or equal
369 to the precedence of our current operator, then we know that the
370 parentheses associate as "(a+b) binop ...". In our example, the current
371 operator is "+" and the next operator is "+", we know that they have the
372 same precedence. In this case we'll create the AST node for "a+b", and
373 then continue parsing:
374
375 .. code-block:: ocaml
376
377               ... if body omitted ...
378             in
379
380             (* Merge lhs/rhs. *)
381             let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
382             parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
383           end
384
385 In our example above, this will turn "a+b+" into "(a+b)" and execute the
386 next iteration of the loop, with "+" as the current token. The code
387 above will eat, remember, and parse "(c+d)" as the primary expression,
388 which makes the current pair equal to [+, (c+d)]. It will then evaluate
389 the 'if' conditional above with "\*" as the binop to the right of the
390 primary. In this case, the precedence of "\*" is higher than the
391 precedence of "+" so the if condition will be entered.
392
393 The critical question left here is "how can the if condition parse the
394 right hand side in full"? In particular, to build the AST correctly for
395 our example, it needs to get all of "(c+d)\*e\*f" as the RHS expression
396 variable. The code to do this is surprisingly simple (code from the
397 above two blocks duplicated for context):
398
399 .. code-block:: ocaml
400
401               match Stream.peek stream with
402               | Some (Token.Kwd c2) ->
403                   (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
404                    * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
405                   if token_prec < precedence c2
406                   then parse_bin_rhs (token_prec + 1) rhs stream
407                   else rhs
408               | _ -> rhs
409             in
410
411             (* Merge lhs/rhs. *)
412             let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
413             parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
414           end
415
416 At this point, we know that the binary operator to the RHS of our
417 primary has higher precedence than the binop we are currently parsing.
418 As such, we know that any sequence of pairs whose operators are all
419 higher precedence than "+" should be parsed together and returned as
420 "RHS". To do this, we recursively invoke the ``Parser.parse_bin_rhs``
421 function specifying "token\_prec+1" as the minimum precedence required
422 for it to continue. In our example above, this will cause it to return
423 the AST node for "(c+d)\*e\*f" as RHS, which is then set as the RHS of
424 the '+' expression.
425
426 Finally, on the next iteration of the while loop, the "+g" piece is
427 parsed and added to the AST. With this little bit of code (14
428 non-trivial lines), we correctly handle fully general binary expression
429 parsing in a very elegant way. This was a whirlwind tour of this code,
430 and it is somewhat subtle. I recommend running through it with a few
431 tough examples to see how it works.
432
433 This wraps up handling of expressions. At this point, we can point the
434 parser at an arbitrary token stream and build an expression from it,
435 stopping at the first token that is not part of the expression. Next up
436 we need to handle function definitions, etc.
437
438 Parsing the Rest
439 ================
440
441 The next thing missing is handling of function prototypes. In
442 Kaleidoscope, these are used both for 'extern' function declarations as
443 well as function body definitions. The code to do this is
444 straight-forward and not very interesting (once you've survived
445 expressions):
446
447 .. code-block:: ocaml
448
449     (* prototype
450      *   ::= id '(' id* ')' *)
451     let parse_prototype =
452       let rec parse_args accumulator = parser
453         | [< 'Token.Ident id; e=parse_args (id::accumulator) >] -> e
454         | [< >] -> accumulator
455       in
456
457       parser
458       | [< 'Token.Ident id;
459            'Token.Kwd '(' ?? "expected '(' in prototype";
460            args=parse_args [];
461            'Token.Kwd ')' ?? "expected ')' in prototype" >] ->
462           (* success. *)
463           Ast.Prototype (id, Array.of_list (List.rev args))
464
465       | [< >] ->
466           raise (Stream.Error "expected function name in prototype")
467
468 Given this, a function definition is very simple, just a prototype plus
469 an expression to implement the body:
470
471 .. code-block:: ocaml
472
473     (* definition ::= 'def' prototype expression *)
474     let parse_definition = parser
475       | [< 'Token.Def; p=parse_prototype; e=parse_expr >] ->
476           Ast.Function (p, e)
477
478 In addition, we support 'extern' to declare functions like 'sin' and
479 'cos' as well as to support forward declaration of user functions. These
480 'extern's are just prototypes with no body:
481
482 .. code-block:: ocaml
483
484     (*  external ::= 'extern' prototype *)
485     let parse_extern = parser
486       | [< 'Token.Extern; e=parse_prototype >] -> e
487
488 Finally, we'll also let the user type in arbitrary top-level expressions
489 and evaluate them on the fly. We will handle this by defining anonymous
490 nullary (zero argument) functions for them:
491
492 .. code-block:: ocaml
493
494     (* toplevelexpr ::= expression *)
495     let parse_toplevel = parser
496       | [< e=parse_expr >] ->
497           (* Make an anonymous proto. *)
498           Ast.Function (Ast.Prototype ("", [||]), e)
499
500 Now that we have all the pieces, let's build a little driver that will
501 let us actually *execute* this code we've built!
502
503 The Driver
504 ==========
505
506 The driver for this simply invokes all of the parsing pieces with a
507 top-level dispatch loop. There isn't much interesting here, so I'll just
508 include the top-level loop. See `below <#full-code-listing>`_ for full code in the
509 "Top-Level Parsing" section.
510
511 .. code-block:: ocaml
512
513     (* top ::= definition | external | expression | ';' *)
514     let rec main_loop stream =
515       match Stream.peek stream with
516       | None -> ()
517
518       (* ignore top-level semicolons. *)
519       | Some (Token.Kwd ';') ->
520           Stream.junk stream;
521           main_loop stream
522
523       | Some token ->
524           begin
525             try match token with
526             | Token.Def ->
527                 ignore(Parser.parse_definition stream);
528                 print_endline "parsed a function definition.";
529             | Token.Extern ->
530                 ignore(Parser.parse_extern stream);
531                 print_endline "parsed an extern.";
532             | _ ->
533                 (* Evaluate a top-level expression into an anonymous function. *)
534                 ignore(Parser.parse_toplevel stream);
535                 print_endline "parsed a top-level expr";
536             with Stream.Error s ->
537               (* Skip token for error recovery. *)
538               Stream.junk stream;
539               print_endline s;
540           end;
541           print_string "ready> "; flush stdout;
542           main_loop stream
543
544 The most interesting part of this is that we ignore top-level
545 semicolons. Why is this, you ask? The basic reason is that if you type
546 "4 + 5" at the command line, the parser doesn't know whether that is the
547 end of what you will type or not. For example, on the next line you
548 could type "def foo..." in which case 4+5 is the end of a top-level
549 expression. Alternatively you could type "\* 6", which would continue
550 the expression. Having top-level semicolons allows you to type "4+5;",
551 and the parser will know you are done.
552
553 Conclusions
554 ===========
555
556 With just under 300 lines of commented code (240 lines of non-comment,
557 non-blank code), we fully defined our minimal language, including a
558 lexer, parser, and AST builder. With this done, the executable will
559 validate Kaleidoscope code and tell us if it is grammatically invalid.
560 For example, here is a sample interaction:
561
562 .. code-block:: bash
563
564     $ ./toy.byte
565     ready> def foo(x y) x+foo(y, 4.0);
566     Parsed a function definition.
567     ready> def foo(x y) x+y y;
568     Parsed a function definition.
569     Parsed a top-level expr
570     ready> def foo(x y) x+y );
571     Parsed a function definition.
572     Error: unknown token when expecting an expression
573     ready> extern sin(a);
574     ready> Parsed an extern
575     ready> ^D
576     $
577
578 There is a lot of room for extension here. You can define new AST nodes,
579 extend the language in many ways, etc. In the `next
580 installment <OCamlLangImpl3.html>`_, we will describe how to generate
581 LLVM Intermediate Representation (IR) from the AST.
582
583 Full Code Listing
584 =================
585
586 Here is the complete code listing for this and the previous chapter.
587 Note that it is fully self-contained: you don't need LLVM or any
588 external libraries at all for this. (Besides the ocaml standard
589 libraries, of course.) To build this, just compile with:
590
591 .. code-block:: bash
592
593     # Compile
594     ocamlbuild toy.byte
595     # Run
596     ./toy.byte
597
598 Here is the code:
599
600 \_tags:
601     ::
602
603         <{lexer,parser}.ml>: use_camlp4, pp(camlp4of)
604
605 token.ml:
606     .. code-block:: ocaml
607
608         (*===----------------------------------------------------------------------===
609          * Lexer Tokens
610          *===----------------------------------------------------------------------===*)
611
612         (* The lexer returns these 'Kwd' if it is an unknown character, otherwise one of
613          * these others for known things. *)
614         type token =
615           (* commands *)
616           | Def | Extern
617
618           (* primary *)
619           | Ident of string | Number of float
620
621           (* unknown *)
622           | Kwd of char
623
624 lexer.ml:
625     .. code-block:: ocaml
626
627         (*===----------------------------------------------------------------------===
628          * Lexer
629          *===----------------------------------------------------------------------===*)
630
631         let rec lex = parser
632           (* Skip any whitespace. *)
633           | [< ' (' ' | '\n' | '\r' | '\t'); stream >] -> lex stream
634
635           (* identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9] *)
636           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' as c); stream >] ->
637               let buffer = Buffer.create 1 in
638               Buffer.add_char buffer c;
639               lex_ident buffer stream
640
641           (* number: [0-9.]+ *)
642           | [< ' ('0' .. '9' as c); stream >] ->
643               let buffer = Buffer.create 1 in
644               Buffer.add_char buffer c;
645               lex_number buffer stream
646
647           (* Comment until end of line. *)
648           | [< ' ('#'); stream >] ->
649               lex_comment stream
650
651           (* Otherwise, just return the character as its ascii value. *)
652           | [< 'c; stream >] ->
653               [< 'Token.Kwd c; lex stream >]
654
655           (* end of stream. *)
656           | [< >] -> [< >]
657
658         and lex_number buffer = parser
659           | [< ' ('0' .. '9' | '.' as c); stream >] ->
660               Buffer.add_char buffer c;
661               lex_number buffer stream
662           | [< stream=lex >] ->
663               [< 'Token.Number (float_of_string (Buffer.contents buffer)); stream >]
664
665         and lex_ident buffer = parser
666           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' | '0' .. '9' as c); stream >] ->
667               Buffer.add_char buffer c;
668               lex_ident buffer stream
669           | [< stream=lex >] ->
670               match Buffer.contents buffer with
671               | "def" -> [< 'Token.Def; stream >]
672               | "extern" -> [< 'Token.Extern; stream >]
673               | id -> [< 'Token.Ident id; stream >]
674
675         and lex_comment = parser
676           | [< ' ('\n'); stream=lex >] -> stream
677           | [< 'c; e=lex_comment >] -> e
678           | [< >] -> [< >]
679
680 ast.ml:
681     .. code-block:: ocaml
682
683         (*===----------------------------------------------------------------------===
684          * Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
685          *===----------------------------------------------------------------------===*)
686
687         (* expr - Base type for all expression nodes. *)
688         type expr =
689           (* variant for numeric literals like "1.0". *)
690           | Number of float
691
692           (* variant for referencing a variable, like "a". *)
693           | Variable of string
694
695           (* variant for a binary operator. *)
696           | Binary of char * expr * expr
697
698           (* variant for function calls. *)
699           | Call of string * expr array
700
701         (* proto - This type represents the "prototype" for a function, which captures
702          * its name, and its argument names (thus implicitly the number of arguments the
703          * function takes). *)
704         type proto = Prototype of string * string array
705
706         (* func - This type represents a function definition itself. *)
707         type func = Function of proto * expr
708
709 parser.ml:
710     .. code-block:: ocaml
711
712         (*===---------------------------------------------------------------------===
713          * Parser
714          *===---------------------------------------------------------------------===*)
715
716         (* binop_precedence - This holds the precedence for each binary operator that is
717          * defined *)
718         let binop_precedence:(char, int) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
719
720         (* precedence - Get the precedence of the pending binary operator token. *)
721         let precedence c = try Hashtbl.find binop_precedence c with Not_found -> -1
722
723         (* primary
724          *   ::= identifier
725          *   ::= numberexpr
726          *   ::= parenexpr *)
727         let rec parse_primary = parser
728           (* numberexpr ::= number *)
729           | [< 'Token.Number n >] -> Ast.Number n
730
731           (* parenexpr ::= '(' expression ')' *)
732           | [< 'Token.Kwd '('; e=parse_expr; 'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'" >] -> e
733
734           (* identifierexpr
735            *   ::= identifier
736            *   ::= identifier '(' argumentexpr ')' *)
737           | [< 'Token.Ident id; stream >] ->
738               let rec parse_args accumulator = parser
739                 | [< e=parse_expr; stream >] ->
740                     begin parser
741                       | [< 'Token.Kwd ','; e=parse_args (e :: accumulator) >] -> e
742                       | [< >] -> e :: accumulator
743                     end stream
744                 | [< >] -> accumulator
745               in
746               let rec parse_ident id = parser
747                 (* Call. *)
748                 | [< 'Token.Kwd '(';
749                      args=parse_args [];
750                      'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'">] ->
751                     Ast.Call (id, Array.of_list (List.rev args))
752
753                 (* Simple variable ref. *)
754                 | [< >] -> Ast.Variable id
755               in
756               parse_ident id stream
757
758           | [< >] -> raise (Stream.Error "unknown token when expecting an expression.")
759
760         (* binoprhs
761          *   ::= ('+' primary)* *)
762         and parse_bin_rhs expr_prec lhs stream =
763           match Stream.peek stream with
764           (* If this is a binop, find its precedence. *)
765           | Some (Token.Kwd c) when Hashtbl.mem binop_precedence c ->
766               let token_prec = precedence c in
767
768               (* If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
769                * consume it, otherwise we are done. *)
770               if token_prec < expr_prec then lhs else begin
771                 (* Eat the binop. *)
772                 Stream.junk stream;
773
774                 (* Parse the primary expression after the binary operator. *)
775                 let rhs = parse_primary stream in
776
777                 (* Okay, we know this is a binop. *)
778                 let rhs =
779                   match Stream.peek stream with
780                   | Some (Token.Kwd c2) ->
781                       (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
782                        * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
783                       let next_prec = precedence c2 in
784                       if token_prec < next_prec
785                       then parse_bin_rhs (token_prec + 1) rhs stream
786                       else rhs
787                   | _ -> rhs
788                 in
789
790                 (* Merge lhs/rhs. *)
791                 let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
792                 parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
793               end
794           | _ -> lhs
795
796         (* expression
797          *   ::= primary binoprhs *)
798         and parse_expr = parser
799           | [< lhs=parse_primary; stream >] -> parse_bin_rhs 0 lhs stream
800
801         (* prototype
802          *   ::= id '(' id* ')' *)
803         let parse_prototype =
804           let rec parse_args accumulator = parser
805             | [< 'Token.Ident id; e=parse_args (id::accumulator) >] -> e
806             | [< >] -> accumulator
807           in
808
809           parser
810           | [< 'Token.Ident id;
811                'Token.Kwd '(' ?? "expected '(' in prototype";
812                args=parse_args [];
813                'Token.Kwd ')' ?? "expected ')' in prototype" >] ->
814               (* success. *)
815               Ast.Prototype (id, Array.of_list (List.rev args))
816
817           | [< >] ->
818               raise (Stream.Error "expected function name in prototype")
819
820         (* definition ::= 'def' prototype expression *)
821         let parse_definition = parser
822           | [< 'Token.Def; p=parse_prototype; e=parse_expr >] ->
823               Ast.Function (p, e)
824
825         (* toplevelexpr ::= expression *)
826         let parse_toplevel = parser
827           | [< e=parse_expr >] ->
828               (* Make an anonymous proto. *)
829               Ast.Function (Ast.Prototype ("", [||]), e)
830
831         (*  external ::= 'extern' prototype *)
832         let parse_extern = parser
833           | [< 'Token.Extern; e=parse_prototype >] -> e
834
835 toplevel.ml:
836     .. code-block:: ocaml
837
838         (*===----------------------------------------------------------------------===
839          * Top-Level parsing and JIT Driver
840          *===----------------------------------------------------------------------===*)
841
842         (* top ::= definition | external | expression | ';' *)
843         let rec main_loop stream =
844           match Stream.peek stream with
845           | None -> ()
846
847           (* ignore top-level semicolons. *)
848           | Some (Token.Kwd ';') ->
849               Stream.junk stream;
850               main_loop stream
851
852           | Some token ->
853               begin
854                 try match token with
855                 | Token.Def ->
856                     ignore(Parser.parse_definition stream);
857                     print_endline "parsed a function definition.";
858                 | Token.Extern ->
859                     ignore(Parser.parse_extern stream);
860                     print_endline "parsed an extern.";
861                 | _ ->
862                     (* Evaluate a top-level expression into an anonymous function. *)
863                     ignore(Parser.parse_toplevel stream);
864                     print_endline "parsed a top-level expr";
865                 with Stream.Error s ->
866                   (* Skip token for error recovery. *)
867                   Stream.junk stream;
868                   print_endline s;
869               end;
870               print_string "ready> "; flush stdout;
871               main_loop stream
872
873 toy.ml:
874     .. code-block:: ocaml
875
876         (*===----------------------------------------------------------------------===
877          * Main driver code.
878          *===----------------------------------------------------------------------===*)
879
880         let main () =
881           (* Install standard binary operators.
882            * 1 is the lowest precedence. *)
883           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '<' 10;
884           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '+' 20;
885           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '-' 20;
886           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '*' 40;    (* highest. *)
887
888           (* Prime the first token. *)
889           print_string "ready> "; flush stdout;
890           let stream = Lexer.lex (Stream.of_channel stdin) in
891
892           (* Run the main "interpreter loop" now. *)
893           Toplevel.main_loop stream;
894         ;;
895
896         main ()
897
898 `Next: Implementing Code Generation to LLVM IR <OCamlLangImpl3.html>`_
899