Merging r258386:
[oota-llvm.git] / docs / tutorial / OCamlLangImpl3.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 <OCamlLangImpl2.html>`_, built in Chapter 2,
14 into LLVM IR. This will teach you a little bit about how LLVM does
15 things, as well as demonstrate how easy it is to use. It's much more
16 work to build 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 2.3 or
19 LLVM SVN to work. LLVM 2.2 and before will not work with it.
20
21 Code Generation Setup
22 =====================
23
24 In order to generate LLVM IR, we want some simple setup to get started.
25 First we define virtual code generation (codegen) methods in each AST
26 class:
27
28 .. code-block:: ocaml
29
30     let rec codegen_expr = function
31       | Ast.Number n -> ...
32       | Ast.Variable name -> ...
33
34 The ``Codegen.codegen_expr`` function says to emit IR for that AST node
35 along with all the things it depends on, and they all return an LLVM
36 Value object. "Value" is the class used to represent a "`Static Single
37 Assignment
38 (SSA) <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_
39 register" or "SSA value" in LLVM. The most distinct aspect of SSA values
40 is that their value is computed as the related instruction executes, and
41 it does not get a new value until (and if) the instruction re-executes.
42 In other words, there is no way to "change" an SSA value. For more
43 information, please read up on `Static Single
44 Assignment <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_
45 - the concepts are really quite natural once you grok them.
46
47 The second thing we want is an "Error" exception like we used for the
48 parser, which will be used to report errors found during code generation
49 (for example, use of an undeclared parameter):
50
51 .. code-block:: ocaml
52
53     exception Error of string
54
55     let context = global_context ()
56     let the_module = create_module context "my cool jit"
57     let builder = builder context
58     let named_values:(string, llvalue) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
59     let double_type = double_type context
60
61 The static variables will be used during code generation.
62 ``Codgen.the_module`` is the LLVM construct that contains all of the
63 functions and global variables in a chunk of code. In many ways, it is
64 the top-level structure that the LLVM IR uses to contain code.
65
66 The ``Codegen.builder`` object is a helper object that makes it easy to
67 generate LLVM instructions. Instances of the
68 `IRBuilder <http://llvm.org/doxygen/IRBuilder_8h-source.html>`_
69 class keep track of the current place to insert instructions and has
70 methods to create new instructions.
71
72 The ``Codegen.named_values`` map keeps track of which values are defined
73 in the current scope and what their LLVM representation is. (In other
74 words, it is a symbol table for the code). In this form of Kaleidoscope,
75 the only things that can be referenced are function parameters. As such,
76 function parameters will be in this map when generating code for their
77 function body.
78
79 With these basics in place, we can start talking about how to generate
80 code for each expression. Note that this assumes that the
81 ``Codgen.builder`` has been set up to generate code *into* something.
82 For now, we'll assume that this has already been done, and we'll just
83 use it to emit code.
84
85 Expression Code Generation
86 ==========================
87
88 Generating LLVM code for expression nodes is very straightforward: less
89 than 30 lines of commented code for all four of our expression nodes.
90 First we'll do numeric literals:
91
92 .. code-block:: ocaml
93
94       | Ast.Number n -> const_float double_type n
95
96 In the LLVM IR, numeric constants are represented with the
97 ``ConstantFP`` class, which holds the numeric value in an ``APFloat``
98 internally (``APFloat`` has the capability of holding floating point
99 constants of Arbitrary Precision). This code basically just creates
100 and returns a ``ConstantFP``. Note that in the LLVM IR that constants
101 are all uniqued together and shared. For this reason, the API uses "the
102 foo::get(..)" idiom instead of "new foo(..)" or "foo::Create(..)".
103
104 .. code-block:: ocaml
105
106       | Ast.Variable name ->
107           (try Hashtbl.find named_values name with
108             | Not_found -> raise (Error "unknown variable name"))
109
110 References to variables are also quite simple using LLVM. In the simple
111 version of Kaleidoscope, we assume that the variable has already been
112 emitted somewhere and its value is available. In practice, the only
113 values that can be in the ``Codegen.named_values`` map are function
114 arguments. This code simply checks to see that the specified name is in
115 the map (if not, an unknown variable is being referenced) and returns
116 the value for it. In future chapters, we'll add support for `loop
117 induction variables <LangImpl5.html#for-loop-expression>`_ in the symbol table, and for
118 `local variables <LangImpl7.html#user-defined-local-variables>`_.
119
120 .. code-block:: ocaml
121
122       | Ast.Binary (op, lhs, rhs) ->
123           let lhs_val = codegen_expr lhs in
124           let rhs_val = codegen_expr rhs in
125           begin
126             match op with
127             | '+' -> build_fadd lhs_val rhs_val "addtmp" builder
128             | '-' -> build_fsub lhs_val rhs_val "subtmp" builder
129             | '*' -> build_fmul lhs_val rhs_val "multmp" builder
130             | '<' ->
131                 (* Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0 *)
132                 let i = build_fcmp Fcmp.Ult lhs_val rhs_val "cmptmp" builder in
133                 build_uitofp i double_type "booltmp" builder
134             | _ -> raise (Error "invalid binary operator")
135           end
136
137 Binary operators start to get more interesting. The basic idea here is
138 that we recursively emit code for the left-hand side of the expression,
139 then the right-hand side, then we compute the result of the binary
140 expression. In this code, we do a simple switch on the opcode to create
141 the right LLVM instruction.
142
143 In the example above, the LLVM builder class is starting to show its
144 value. IRBuilder knows where to insert the newly created instruction,
145 all you have to do is specify what instruction to create (e.g. with
146 ``Llvm.create_add``), which operands to use (``lhs`` and ``rhs`` here)
147 and optionally provide a name for the generated instruction.
148
149 One nice thing about LLVM is that the name is just a hint. For instance,
150 if the code above emits multiple "addtmp" variables, LLVM will
151 automatically provide each one with an increasing, unique numeric
152 suffix. Local value names for instructions are purely optional, but it
153 makes it much easier to read the IR dumps.
154
155 `LLVM instructions <../LangRef.html#instruction-reference>`_ are constrained by strict
156 rules: for example, the Left and Right operators of an `add
157 instruction <../LangRef.html#add-instruction>`_ must have the same type, and the
158 result type of the add must match the operand types. Because all values
159 in Kaleidoscope are doubles, this makes for very simple code for add,
160 sub and mul.
161
162 On the other hand, LLVM specifies that the `fcmp
163 instruction <../LangRef.html#fcmp-instruction>`_ always returns an 'i1' value (a
164 one bit integer). The problem with this is that Kaleidoscope wants the
165 value to be a 0.0 or 1.0 value. In order to get these semantics, we
166 combine the fcmp instruction with a `uitofp
167 instruction <../LangRef.html#uitofp-to-instruction>`_. This instruction converts its
168 input integer into a floating point value by treating the input as an
169 unsigned value. In contrast, if we used the `sitofp
170 instruction <../LangRef.html#sitofp-to-instruction>`_, the Kaleidoscope '<' operator
171 would return 0.0 and -1.0, depending on the input value.
172
173 .. code-block:: ocaml
174
175       | Ast.Call (callee, args) ->
176           (* Look up the name in the module table. *)
177           let callee =
178             match lookup_function callee the_module with
179             | Some callee -> callee
180             | None -> raise (Error "unknown function referenced")
181           in
182           let params = params callee in
183
184           (* If argument mismatch error. *)
185           if Array.length params == Array.length args then () else
186             raise (Error "incorrect # arguments passed");
187           let args = Array.map codegen_expr args in
188           build_call callee args "calltmp" builder
189
190 Code generation for function calls is quite straightforward with LLVM.
191 The code above initially does a function name lookup in the LLVM
192 Module's symbol table. Recall that the LLVM Module is the container that
193 holds all of the functions we are JIT'ing. By giving each function the
194 same name as what the user specifies, we can use the LLVM symbol table
195 to resolve function names for us.
196
197 Once we have the function to call, we recursively codegen each argument
198 that is to be passed in, and create an LLVM `call
199 instruction <../LangRef.html#call-instruction>`_. Note that LLVM uses the native C
200 calling conventions by default, allowing these calls to also call into
201 standard library functions like "sin" and "cos", with no additional
202 effort.
203
204 This wraps up our handling of the four basic expressions that we have so
205 far in Kaleidoscope. Feel free to go in and add some more. For example,
206 by browsing the `LLVM language reference <../LangRef.html>`_ you'll find
207 several other interesting instructions that are really easy to plug into
208 our basic framework.
209
210 Function Code Generation
211 ========================
212
213 Code generation for prototypes and functions must handle a number of
214 details, which make their code less beautiful than expression code
215 generation, but allows us to illustrate some important points. First,
216 lets talk about code generation for prototypes: they are used both for
217 function bodies and external function declarations. The code starts
218 with:
219
220 .. code-block:: ocaml
221
222     let codegen_proto = function
223       | Ast.Prototype (name, args) ->
224           (* Make the function type: double(double,double) etc. *)
225           let doubles = Array.make (Array.length args) double_type in
226           let ft = function_type double_type doubles in
227           let f =
228             match lookup_function name the_module with
229
230 This code packs a lot of power into a few lines. Note first that this
231 function returns a "Function\*" instead of a "Value\*" (although at the
232 moment they both are modeled by ``llvalue`` in ocaml). Because a
233 "prototype" really talks about the external interface for a function
234 (not the value computed by an expression), it makes sense for it to
235 return the LLVM Function it corresponds to when codegen'd.
236
237 The call to ``Llvm.function_type`` creates the ``Llvm.llvalue`` that
238 should be used for a given Prototype. Since all function arguments in
239 Kaleidoscope are of type double, the first line creates a vector of "N"
240 LLVM double types. It then uses the ``Llvm.function_type`` method to
241 create a function type that takes "N" doubles as arguments, returns one
242 double as a result, and that is not vararg (that uses the function
243 ``Llvm.var_arg_function_type``). Note that Types in LLVM are uniqued
244 just like ``Constant``'s are, so you don't "new" a type, you "get" it.
245
246 The final line above checks if the function has already been defined in
247 ``Codegen.the_module``. If not, we will create it.
248
249 .. code-block:: ocaml
250
251             | None -> declare_function name ft the_module
252
253 This indicates the type and name to use, as well as which module to
254 insert into. By default we assume a function has
255 ``Llvm.Linkage.ExternalLinkage``. "`external
256 linkage <../LangRef.html#linkage>`_" means that the function may be defined
257 outside the current module and/or that it is callable by functions
258 outside the module. The "``name``" passed in is the name the user
259 specified: this name is registered in "``Codegen.the_module``"s symbol
260 table, which is used by the function call code above.
261
262 In Kaleidoscope, I choose to allow redefinitions of functions in two
263 cases: first, we want to allow 'extern'ing a function more than once, as
264 long as the prototypes for the externs match (since all arguments have
265 the same type, we just have to check that the number of arguments
266 match). Second, we want to allow 'extern'ing a function and then
267 defining a body for it. This is useful when defining mutually recursive
268 functions.
269
270 .. code-block:: ocaml
271
272             (* If 'f' conflicted, there was already something named 'name'. If it
273              * has a body, don't allow redefinition or reextern. *)
274             | Some f ->
275                 (* If 'f' already has a body, reject this. *)
276                 if Array.length (basic_blocks f) == 0 then () else
277                   raise (Error "redefinition of function");
278
279                 (* If 'f' took a different number of arguments, reject. *)
280                 if Array.length (params f) == Array.length args then () else
281                   raise (Error "redefinition of function with different # args");
282                 f
283           in
284
285 In order to verify the logic above, we first check to see if the
286 pre-existing function is "empty". In this case, empty means that it has
287 no basic blocks in it, which means it has no body. If it has no body, it
288 is a forward declaration. Since we don't allow anything after a full
289 definition of the function, the code rejects this case. If the previous
290 reference to a function was an 'extern', we simply verify that the
291 number of arguments for that definition and this one match up. If not,
292 we emit an error.
293
294 .. code-block:: ocaml
295
296           (* Set names for all arguments. *)
297           Array.iteri (fun i a ->
298             let n = args.(i) in
299             set_value_name n a;
300             Hashtbl.add named_values n a;
301           ) (params f);
302           f
303
304 The last bit of code for prototypes loops over all of the arguments in
305 the function, setting the name of the LLVM Argument objects to match,
306 and registering the arguments in the ``Codegen.named_values`` map for
307 future use by the ``Ast.Variable`` variant. Once this is set up, it
308 returns the Function object to the caller. Note that we don't check for
309 conflicting argument names here (e.g. "extern foo(a b a)"). Doing so
310 would be very straight-forward with the mechanics we have already used
311 above.
312
313 .. code-block:: ocaml
314
315     let codegen_func = function
316       | Ast.Function (proto, body) ->
317           Hashtbl.clear named_values;
318           let the_function = codegen_proto proto in
319
320 Code generation for function definitions starts out simply enough: we
321 just codegen the prototype (Proto) and verify that it is ok. We then
322 clear out the ``Codegen.named_values`` map to make sure that there isn't
323 anything in it from the last function we compiled. Code generation of
324 the prototype ensures that there is an LLVM Function object that is
325 ready to go for us.
326
327 .. code-block:: ocaml
328
329           (* Create a new basic block to start insertion into. *)
330           let bb = append_block context "entry" the_function in
331           position_at_end bb builder;
332
333           try
334             let ret_val = codegen_expr body in
335
336 Now we get to the point where the ``Codegen.builder`` is set up. The
337 first line creates a new `basic
338 block <http://en.wikipedia.org/wiki/Basic_block>`_ (named "entry"),
339 which is inserted into ``the_function``. The second line then tells the
340 builder that new instructions should be inserted into the end of the new
341 basic block. Basic blocks in LLVM are an important part of functions
342 that define the `Control Flow
343 Graph <http://en.wikipedia.org/wiki/Control_flow_graph>`_. Since we
344 don't have any control flow, our functions will only contain one block
345 at this point. We'll fix this in `Chapter 5 <OCamlLangImpl5.html>`_ :).
346
347 .. code-block:: ocaml
348
349             let ret_val = codegen_expr body in
350
351             (* Finish off the function. *)
352             let _ = build_ret ret_val builder in
353
354             (* Validate the generated code, checking for consistency. *)
355             Llvm_analysis.assert_valid_function the_function;
356
357             the_function
358
359 Once the insertion point is set up, we call the ``Codegen.codegen_func``
360 method for the root expression of the function. If no error happens,
361 this emits code to compute the expression into the entry block and
362 returns the value that was computed. Assuming no error, we then create
363 an LLVM `ret instruction <../LangRef.html#ret-instruction>`_, which completes the
364 function. Once the function is built, we call
365 ``Llvm_analysis.assert_valid_function``, which is provided by LLVM. This
366 function does a variety of consistency checks on the generated code, to
367 determine if our compiler is doing everything right. Using this is
368 important: it can catch a lot of bugs. Once the function is finished and
369 validated, we return it.
370
371 .. code-block:: ocaml
372
373           with e ->
374             delete_function the_function;
375             raise e
376
377 The only piece left here is handling of the error case. For simplicity,
378 we handle this by merely deleting the function we produced with the
379 ``Llvm.delete_function`` method. This allows the user to redefine a
380 function that they incorrectly typed in before: if we didn't delete it,
381 it would live in the symbol table, with a body, preventing future
382 redefinition.
383
384 This code does have a bug, though. Since the ``Codegen.codegen_proto``
385 can return a previously defined forward declaration, our code can
386 actually delete a forward declaration. There are a number of ways to fix
387 this bug, see what you can come up with! Here is a testcase:
388
389 ::
390
391     extern foo(a b);     # ok, defines foo.
392     def foo(a b) c;      # error, 'c' is invalid.
393     def bar() foo(1, 2); # error, unknown function "foo"
394
395 Driver Changes and Closing Thoughts
396 ===================================
397
398 For now, code generation to LLVM doesn't really get us much, except that
399 we can look at the pretty IR calls. The sample code inserts calls to
400 Codegen into the "``Toplevel.main_loop``", and then dumps out the LLVM
401 IR. This gives a nice way to look at the LLVM IR for simple functions.
402 For example:
403
404 ::
405
406     ready> 4+5;
407     Read top-level expression:
408     define double @""() {
409     entry:
410             %addtmp = fadd double 4.000000e+00, 5.000000e+00
411             ret double %addtmp
412     }
413
414 Note how the parser turns the top-level expression into anonymous
415 functions for us. This will be handy when we add `JIT
416 support <OCamlLangImpl4.html#adding-a-jit-compiler>`_ in the next chapter. Also note that
417 the code is very literally transcribed, no optimizations are being
418 performed. We will `add
419 optimizations <OCamlLangImpl4.html#trivial-constant-folding>`_ explicitly in the
420 next chapter.
421
422 ::
423
424     ready> def foo(a b) a*a + 2*a*b + b*b;
425     Read function definition:
426     define double @foo(double %a, double %b) {
427     entry:
428             %multmp = fmul double %a, %a
429             %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
430             %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
431             %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
432             %multmp3 = fmul double %b, %b
433             %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
434             ret double %addtmp4
435     }
436
437 This shows some simple arithmetic. Notice the striking similarity to the
438 LLVM builder calls that we use to create the instructions.
439
440 ::
441
442     ready> def bar(a) foo(a, 4.0) + bar(31337);
443     Read function definition:
444     define double @bar(double %a) {
445     entry:
446             %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
447             %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
448             %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
449             ret double %addtmp
450     }
451
452 This shows some function calls. Note that this function will take a long
453 time to execute if you call it. In the future we'll add conditional
454 control flow to actually make recursion useful :).
455
456 ::
457
458     ready> extern cos(x);
459     Read extern:
460     declare double @cos(double)
461
462     ready> cos(1.234);
463     Read top-level expression:
464     define double @""() {
465     entry:
466             %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
467             ret double %calltmp
468     }
469
470 This shows an extern for the libm "cos" function, and a call to it.
471
472 ::
473
474     ready> ^D
475     ; ModuleID = 'my cool jit'
476
477     define double @""() {
478     entry:
479             %addtmp = fadd double 4.000000e+00, 5.000000e+00
480             ret double %addtmp
481     }
482
483     define double @foo(double %a, double %b) {
484     entry:
485             %multmp = fmul double %a, %a
486             %multmp1 = fmul double 2.000000e+00, %a
487             %multmp2 = fmul double %multmp1, %b
488             %addtmp = fadd double %multmp, %multmp2
489             %multmp3 = fmul double %b, %b
490             %addtmp4 = fadd double %addtmp, %multmp3
491             ret double %addtmp4
492     }
493
494     define double @bar(double %a) {
495     entry:
496             %calltmp = call double @foo(double %a, double 4.000000e+00)
497             %calltmp1 = call double @bar(double 3.133700e+04)
498             %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp1
499             ret double %addtmp
500     }
501
502     declare double @cos(double)
503
504     define double @""() {
505     entry:
506             %calltmp = call double @cos(double 1.234000e+00)
507             ret double %calltmp
508     }
509
510 When you quit the current demo, it dumps out the IR for the entire
511 module generated. Here you can see the big picture with all the
512 functions referencing each other.
513
514 This wraps up the third chapter of the Kaleidoscope tutorial. Up next,
515 we'll describe how to `add JIT codegen and optimizer
516 support <OCamlLangImpl4.html>`_ to this so we can actually start running
517 code!
518
519 Full Code Listing
520 =================
521
522 Here is the complete code listing for our running example, enhanced with
523 the LLVM code generator. Because this uses the LLVM libraries, we need
524 to link them in. To do this, we use the
525 `llvm-config <http://llvm.org/cmds/llvm-config.html>`_ tool to inform
526 our makefile/command line about which options to use:
527
528 .. code-block:: bash
529
530     # Compile
531     ocamlbuild toy.byte
532     # Run
533     ./toy.byte
534
535 Here is the code:
536
537 \_tags:
538     ::
539
540         <{lexer,parser}.ml>: use_camlp4, pp(camlp4of)
541         <*.{byte,native}>: g++, use_llvm, use_llvm_analysis
542
543 myocamlbuild.ml:
544     .. code-block:: ocaml
545
546         open Ocamlbuild_plugin;;
547
548         ocaml_lib ~extern:true "llvm";;
549         ocaml_lib ~extern:true "llvm_analysis";;
550
551         flag ["link"; "ocaml"; "g++"] (S[A"-cc"; A"g++"]);;
552
553 token.ml:
554     .. code-block:: ocaml
555
556         (*===----------------------------------------------------------------------===
557          * Lexer Tokens
558          *===----------------------------------------------------------------------===*)
559
560         (* The lexer returns these 'Kwd' if it is an unknown character, otherwise one of
561          * these others for known things. *)
562         type token =
563           (* commands *)
564           | Def | Extern
565
566           (* primary *)
567           | Ident of string | Number of float
568
569           (* unknown *)
570           | Kwd of char
571
572 lexer.ml:
573     .. code-block:: ocaml
574
575         (*===----------------------------------------------------------------------===
576          * Lexer
577          *===----------------------------------------------------------------------===*)
578
579         let rec lex = parser
580           (* Skip any whitespace. *)
581           | [< ' (' ' | '\n' | '\r' | '\t'); stream >] -> lex stream
582
583           (* identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9] *)
584           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' as c); stream >] ->
585               let buffer = Buffer.create 1 in
586               Buffer.add_char buffer c;
587               lex_ident buffer stream
588
589           (* number: [0-9.]+ *)
590           | [< ' ('0' .. '9' as c); stream >] ->
591               let buffer = Buffer.create 1 in
592               Buffer.add_char buffer c;
593               lex_number buffer stream
594
595           (* Comment until end of line. *)
596           | [< ' ('#'); stream >] ->
597               lex_comment stream
598
599           (* Otherwise, just return the character as its ascii value. *)
600           | [< 'c; stream >] ->
601               [< 'Token.Kwd c; lex stream >]
602
603           (* end of stream. *)
604           | [< >] -> [< >]
605
606         and lex_number buffer = parser
607           | [< ' ('0' .. '9' | '.' as c); stream >] ->
608               Buffer.add_char buffer c;
609               lex_number buffer stream
610           | [< stream=lex >] ->
611               [< 'Token.Number (float_of_string (Buffer.contents buffer)); stream >]
612
613         and lex_ident buffer = parser
614           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' | '0' .. '9' as c); stream >] ->
615               Buffer.add_char buffer c;
616               lex_ident buffer stream
617           | [< stream=lex >] ->
618               match Buffer.contents buffer with
619               | "def" -> [< 'Token.Def; stream >]
620               | "extern" -> [< 'Token.Extern; stream >]
621               | id -> [< 'Token.Ident id; stream >]
622
623         and lex_comment = parser
624           | [< ' ('\n'); stream=lex >] -> stream
625           | [< 'c; e=lex_comment >] -> e
626           | [< >] -> [< >]
627
628 ast.ml:
629     .. code-block:: ocaml
630
631         (*===----------------------------------------------------------------------===
632          * Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
633          *===----------------------------------------------------------------------===*)
634
635         (* expr - Base type for all expression nodes. *)
636         type expr =
637           (* variant for numeric literals like "1.0". *)
638           | Number of float
639
640           (* variant for referencing a variable, like "a". *)
641           | Variable of string
642
643           (* variant for a binary operator. *)
644           | Binary of char * expr * expr
645
646           (* variant for function calls. *)
647           | Call of string * expr array
648
649         (* proto - This type represents the "prototype" for a function, which captures
650          * its name, and its argument names (thus implicitly the number of arguments the
651          * function takes). *)
652         type proto = Prototype of string * string array
653
654         (* func - This type represents a function definition itself. *)
655         type func = Function of proto * expr
656
657 parser.ml:
658     .. code-block:: ocaml
659
660         (*===---------------------------------------------------------------------===
661          * Parser
662          *===---------------------------------------------------------------------===*)
663
664         (* binop_precedence - This holds the precedence for each binary operator that is
665          * defined *)
666         let binop_precedence:(char, int) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
667
668         (* precedence - Get the precedence of the pending binary operator token. *)
669         let precedence c = try Hashtbl.find binop_precedence c with Not_found -> -1
670
671         (* primary
672          *   ::= identifier
673          *   ::= numberexpr
674          *   ::= parenexpr *)
675         let rec parse_primary = parser
676           (* numberexpr ::= number *)
677           | [< 'Token.Number n >] -> Ast.Number n
678
679           (* parenexpr ::= '(' expression ')' *)
680           | [< 'Token.Kwd '('; e=parse_expr; 'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'" >] -> e
681
682           (* identifierexpr
683            *   ::= identifier
684            *   ::= identifier '(' argumentexpr ')' *)
685           | [< 'Token.Ident id; stream >] ->
686               let rec parse_args accumulator = parser
687                 | [< e=parse_expr; stream >] ->
688                     begin parser
689                       | [< 'Token.Kwd ','; e=parse_args (e :: accumulator) >] -> e
690                       | [< >] -> e :: accumulator
691                     end stream
692                 | [< >] -> accumulator
693               in
694               let rec parse_ident id = parser
695                 (* Call. *)
696                 | [< 'Token.Kwd '(';
697                      args=parse_args [];
698                      'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'">] ->
699                     Ast.Call (id, Array.of_list (List.rev args))
700
701                 (* Simple variable ref. *)
702                 | [< >] -> Ast.Variable id
703               in
704               parse_ident id stream
705
706           | [< >] -> raise (Stream.Error "unknown token when expecting an expression.")
707
708         (* binoprhs
709          *   ::= ('+' primary)* *)
710         and parse_bin_rhs expr_prec lhs stream =
711           match Stream.peek stream with
712           (* If this is a binop, find its precedence. *)
713           | Some (Token.Kwd c) when Hashtbl.mem binop_precedence c ->
714               let token_prec = precedence c in
715
716               (* If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
717                * consume it, otherwise we are done. *)
718               if token_prec < expr_prec then lhs else begin
719                 (* Eat the binop. *)
720                 Stream.junk stream;
721
722                 (* Parse the primary expression after the binary operator. *)
723                 let rhs = parse_primary stream in
724
725                 (* Okay, we know this is a binop. *)
726                 let rhs =
727                   match Stream.peek stream with
728                   | Some (Token.Kwd c2) ->
729                       (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
730                        * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
731                       let next_prec = precedence c2 in
732                       if token_prec < next_prec
733                       then parse_bin_rhs (token_prec + 1) rhs stream
734                       else rhs
735                   | _ -> rhs
736                 in
737
738                 (* Merge lhs/rhs. *)
739                 let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
740                 parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
741               end
742           | _ -> lhs
743
744         (* expression
745          *   ::= primary binoprhs *)
746         and parse_expr = parser
747           | [< lhs=parse_primary; stream >] -> parse_bin_rhs 0 lhs stream
748
749         (* prototype
750          *   ::= id '(' id* ')' *)
751         let parse_prototype =
752           let rec parse_args accumulator = parser
753             | [< 'Token.Ident id; e=parse_args (id::accumulator) >] -> e
754             | [< >] -> accumulator
755           in
756
757           parser
758           | [< 'Token.Ident id;
759                'Token.Kwd '(' ?? "expected '(' in prototype";
760                args=parse_args [];
761                'Token.Kwd ')' ?? "expected ')' in prototype" >] ->
762               (* success. *)
763               Ast.Prototype (id, Array.of_list (List.rev args))
764
765           | [< >] ->
766               raise (Stream.Error "expected function name in prototype")
767
768         (* definition ::= 'def' prototype expression *)
769         let parse_definition = parser
770           | [< 'Token.Def; p=parse_prototype; e=parse_expr >] ->
771               Ast.Function (p, e)
772
773         (* toplevelexpr ::= expression *)
774         let parse_toplevel = parser
775           | [< e=parse_expr >] ->
776               (* Make an anonymous proto. *)
777               Ast.Function (Ast.Prototype ("", [||]), e)
778
779         (*  external ::= 'extern' prototype *)
780         let parse_extern = parser
781           | [< 'Token.Extern; e=parse_prototype >] -> e
782
783 codegen.ml:
784     .. code-block:: ocaml
785
786         (*===----------------------------------------------------------------------===
787          * Code Generation
788          *===----------------------------------------------------------------------===*)
789
790         open Llvm
791
792         exception Error of string
793
794         let context = global_context ()
795         let the_module = create_module context "my cool jit"
796         let builder = builder context
797         let named_values:(string, llvalue) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
798         let double_type = double_type context
799
800         let rec codegen_expr = function
801           | Ast.Number n -> const_float double_type n
802           | Ast.Variable name ->
803               (try Hashtbl.find named_values name with
804                 | Not_found -> raise (Error "unknown variable name"))
805           | Ast.Binary (op, lhs, rhs) ->
806               let lhs_val = codegen_expr lhs in
807               let rhs_val = codegen_expr rhs in
808               begin
809                 match op with
810                 | '+' -> build_add lhs_val rhs_val "addtmp" builder
811                 | '-' -> build_sub lhs_val rhs_val "subtmp" builder
812                 | '*' -> build_mul lhs_val rhs_val "multmp" builder
813                 | '<' ->
814                     (* Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0 *)
815                     let i = build_fcmp Fcmp.Ult lhs_val rhs_val "cmptmp" builder in
816                     build_uitofp i double_type "booltmp" builder
817                 | _ -> raise (Error "invalid binary operator")
818               end
819           | Ast.Call (callee, args) ->
820               (* Look up the name in the module table. *)
821               let callee =
822                 match lookup_function callee the_module with
823                 | Some callee -> callee
824                 | None -> raise (Error "unknown function referenced")
825               in
826               let params = params callee in
827
828               (* If argument mismatch error. *)
829               if Array.length params == Array.length args then () else
830                 raise (Error "incorrect # arguments passed");
831               let args = Array.map codegen_expr args in
832               build_call callee args "calltmp" builder
833
834         let codegen_proto = function
835           | Ast.Prototype (name, args) ->
836               (* Make the function type: double(double,double) etc. *)
837               let doubles = Array.make (Array.length args) double_type in
838               let ft = function_type double_type doubles in
839               let f =
840                 match lookup_function name the_module with
841                 | None -> declare_function name ft the_module
842
843                 (* If 'f' conflicted, there was already something named 'name'. If it
844                  * has a body, don't allow redefinition or reextern. *)
845                 | Some f ->
846                     (* If 'f' already has a body, reject this. *)
847                     if block_begin f <> At_end f then
848                       raise (Error "redefinition of function");
849
850                     (* If 'f' took a different number of arguments, reject. *)
851                     if element_type (type_of f) <> ft then
852                       raise (Error "redefinition of function with different # args");
853                     f
854               in
855
856               (* Set names for all arguments. *)
857               Array.iteri (fun i a ->
858                 let n = args.(i) in
859                 set_value_name n a;
860                 Hashtbl.add named_values n a;
861               ) (params f);
862               f
863
864         let codegen_func = function
865           | Ast.Function (proto, body) ->
866               Hashtbl.clear named_values;
867               let the_function = codegen_proto proto in
868
869               (* Create a new basic block to start insertion into. *)
870               let bb = append_block context "entry" the_function in
871               position_at_end bb builder;
872
873               try
874                 let ret_val = codegen_expr body in
875
876                 (* Finish off the function. *)
877                 let _ = build_ret ret_val builder in
878
879                 (* Validate the generated code, checking for consistency. *)
880                 Llvm_analysis.assert_valid_function the_function;
881
882                 the_function
883               with e ->
884                 delete_function the_function;
885                 raise e
886
887 toplevel.ml:
888     .. code-block:: ocaml
889
890         (*===----------------------------------------------------------------------===
891          * Top-Level parsing and JIT Driver
892          *===----------------------------------------------------------------------===*)
893
894         open Llvm
895
896         (* top ::= definition | external | expression | ';' *)
897         let rec main_loop stream =
898           match Stream.peek stream with
899           | None -> ()
900
901           (* ignore top-level semicolons. *)
902           | Some (Token.Kwd ';') ->
903               Stream.junk stream;
904               main_loop stream
905
906           | Some token ->
907               begin
908                 try match token with
909                 | Token.Def ->
910                     let e = Parser.parse_definition stream in
911                     print_endline "parsed a function definition.";
912                     dump_value (Codegen.codegen_func e);
913                 | Token.Extern ->
914                     let e = Parser.parse_extern stream in
915                     print_endline "parsed an extern.";
916                     dump_value (Codegen.codegen_proto e);
917                 | _ ->
918                     (* Evaluate a top-level expression into an anonymous function. *)
919                     let e = Parser.parse_toplevel stream in
920                     print_endline "parsed a top-level expr";
921                     dump_value (Codegen.codegen_func e);
922                 with Stream.Error s | Codegen.Error s ->
923                   (* Skip token for error recovery. *)
924                   Stream.junk stream;
925                   print_endline s;
926               end;
927               print_string "ready> "; flush stdout;
928               main_loop stream
929
930 toy.ml:
931     .. code-block:: ocaml
932
933         (*===----------------------------------------------------------------------===
934          * Main driver code.
935          *===----------------------------------------------------------------------===*)
936
937         open Llvm
938
939         let main () =
940           (* Install standard binary operators.
941            * 1 is the lowest precedence. *)
942           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '<' 10;
943           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '+' 20;
944           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '-' 20;
945           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '*' 40;    (* highest. *)
946
947           (* Prime the first token. *)
948           print_string "ready> "; flush stdout;
949           let stream = Lexer.lex (Stream.of_channel stdin) in
950
951           (* Run the main "interpreter loop" now. *)
952           Toplevel.main_loop stream;
953
954           (* Print out all the generated code. *)
955           dump_module Codegen.the_module
956         ;;
957
958         main ()
959
960 `Next: Adding JIT and Optimizer Support <OCamlLangImpl4.html>`_
961