examples/Kaleidoscope/Chapter3/toy.cpp

   1 #include "llvm/IR/Verifier.h"
   2 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   3 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
   4 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
   5 #include "llvm/IR/Module.h"
   6 #include <cctype>
   7 #include <cstdio>
   8 #include <map>
   9 #include <string>
  10 #include <vector>
  11 using namespace llvm;
  12
  13 //===----------------------------------------------------------------------===//
  14 // Lexer
  15 //===----------------------------------------------------------------------===//
  16
  17 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  18 // of these for known things.
  19 enum Token {
  20   tok_eof = -1,
  21
  22   // commands
  23   tok_def = -2, tok_extern = -3,
  24
  25   // primary
  26   tok_identifier = -4, tok_number = -5
  27 };
  28
  29 static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
  30 static double NumVal;              // Filled in if tok_number
  31
  32 /// gettok - Return the next token from standard input.
  33 static int gettok() {
  34   static int LastChar = ' ';
  35
  36   // Skip any whitespace.
  37   while (isspace(LastChar))
  38     LastChar = getchar();
  39
  40   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  41     IdentifierStr = LastChar;
  42     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  43       IdentifierStr += LastChar;
  44
  45     if (IdentifierStr == "def") return tok_def;
  46     if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern;
  47     return tok_identifier;
  48   }
  49
  50   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
  51     std::string NumStr;
  52     do {
  53       NumStr += LastChar;
  54       LastChar = getchar();
  55     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  56
  57     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  58     return tok_number;
  59   }
  60
  61   if (LastChar == '#') {
  62     // Comment until end of line.
  63     do LastChar = getchar();
  64     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  65
  66     if (LastChar != EOF)
  67       return gettok();
  68   }
  69
  70   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  71   if (LastChar == EOF)
  72     return tok_eof;
  73
  74   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
  75   int ThisChar = LastChar;
  76   LastChar = getchar();
  77   return ThisChar;
  78 }
  79
  80 //===----------------------------------------------------------------------===//
  81 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
  82 //===----------------------------------------------------------------------===//
  83 namespace {
  84 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
  85 class ExprAST {
  86 public:
  87   virtual ~ExprAST() {}
  88   virtual Value *Codegen() = 0;
  89 };
  90
  91 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
  92 class NumberExprAST : public ExprAST {
  93   double Val;
  94 public:
  95   NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
  96   Value *Codegen() override;
  97 };
  98
  99 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 100 class VariableExprAST : public ExprAST {
 101   std::string Name;
 102 public:
 103   VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
 104   Value *Codegen() override;
 105 };
 106
 107 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 108 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 109   char Op;
 110   ExprAST *LHS, *RHS;
 111 public:
 112   BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
 113     : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
 114   Value *Codegen() override;
 115 };
 116
 117 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 118 class CallExprAST : public ExprAST {
 119   std::string Callee;
 120   std::vector<ExprAST*> Args;
 121 public:
 122   CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
 123     : Callee(callee), Args(args) {}
 124   Value *Codegen() override;
 125 };
 126
 127 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 128 /// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
 129 /// of arguments the function takes).
 130 class PrototypeAST {
 131   std::string Name;
 132   std::vector<std::string> Args;
 133 public:
 134   PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args)
 135     : Name(name), Args(args) {}
 136
 137   Function *Codegen();
 138 };
 139
 140 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 141 class FunctionAST {
 142   PrototypeAST *Proto;
 143   ExprAST *Body;
 144 public:
 145   FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body)
 146     : Proto(proto), Body(body) {}
 147
 148   Function *Codegen();
 149 };
 150 } // end anonymous namespace
 151
 152 //===----------------------------------------------------------------------===//
 153 // Parser
 154 //===----------------------------------------------------------------------===//
 155
 156 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 157 /// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
 158 /// lexer and updates CurTok with its results.
 159 static int CurTok;
 160 static int getNextToken() {
 161   return CurTok = gettok();
 162 }
 163
 164 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 165 /// defined.
 166 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 167
 168 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 169 static int GetTokPrecedence() {
 170   if (!isascii(CurTok))
 171     return -1;
 172
 173   // Make sure it's a declared binop.
 174   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 175   if (TokPrec <= 0) return -1;
 176   return TokPrec;
 177 }
 178
 179 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 180 ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
 181 PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 182 FunctionAST *ErrorF(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 183
 184 static ExprAST *ParseExpression();
 185
 186 /// identifierexpr
 187 ///   ::= identifier
 188 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 189 static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
 190   std::string IdName = IdentifierStr;
 191
 192   getNextToken();  // eat identifier.
 193
 194   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 195     return new VariableExprAST(IdName);
 196
 197   // Call.
 198   getNextToken();  // eat (
 199   std::vector<ExprAST*> Args;
 200   if (CurTok != ')') {
 201     while (1) {
 202       ExprAST *Arg = ParseExpression();
 203       if (!Arg) return 0;
 204       Args.push_back(Arg);
 205
 206       if (CurTok == ')') break;
 207
 208       if (CurTok != ',')
 209         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 210       getNextToken();
 211     }
 212   }
 213
 214   // Eat the ')'.
 215   getNextToken();
 216
 217   return new CallExprAST(IdName, Args);
 218 }
 219
 220 /// numberexpr ::= number
 221 static ExprAST *ParseNumberExpr() {
 222   ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
 223   getNextToken(); // consume the number
 224   return Result;
 225 }
 226
 227 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 228 static ExprAST *ParseParenExpr() {
 229   getNextToken();  // eat (.
 230   ExprAST *V = ParseExpression();
 231   if (!V) return 0;
 232
 233   if (CurTok != ')')
 234     return Error("expected ')'");
 235   getNextToken();  // eat ).
 236   return V;
 237 }
 238
 239 /// primary
 240 ///   ::= identifierexpr
 241 ///   ::= numberexpr
 242 ///   ::= parenexpr
 243 static ExprAST *ParsePrimary() {
 244   switch (CurTok) {
 245   default: return Error("unknown token when expecting an expression");
 246   case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
 247   case tok_number:     return ParseNumberExpr();
 248   case '(':            return ParseParenExpr();
 249   }
 250 }
 251
 252 /// binoprhs
 253 ///   ::= ('+' primary)*
 254 static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
 255   // If this is a binop, find its precedence.
 256   while (1) {
 257     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 258
 259     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 260     // consume it, otherwise we are done.
 261     if (TokPrec < ExprPrec)
 262       return LHS;
 263
 264     // Okay, we know this is a binop.
 265     int BinOp = CurTok;
 266     getNextToken();  // eat binop
 267
 268     // Parse the primary expression after the binary operator.
 269     ExprAST *RHS = ParsePrimary();
 270     if (!RHS) return 0;
 271
 272     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 273     // the pending operator take RHS as its LHS.
 274     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 275     if (TokPrec < NextPrec) {
 276       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
 277       if (RHS == 0) return 0;
 278     }
 279
 280     // Merge LHS/RHS.
 281     LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
 282   }
 283 }
 284
 285 /// expression
 286 ///   ::= primary binoprhs
 287 ///
 288 static ExprAST *ParseExpression() {
 289   ExprAST *LHS = ParsePrimary();
 290   if (!LHS) return 0;
 291
 292   return ParseBinOpRHS(0, LHS);
 293 }
 294
 295 /// prototype
 296 ///   ::= id '(' id* ')'
 297 static PrototypeAST *ParsePrototype() {
 298   if (CurTok != tok_identifier)
 299     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 300
 301   std::string FnName = IdentifierStr;
 302   getNextToken();
 303
 304   if (CurTok != '(')
 305     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 306
 307   std::vector<std::string> ArgNames;
 308   while (getNextToken() == tok_identifier)
 309     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 310   if (CurTok != ')')
 311     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 312
 313   // success.
 314   getNextToken();  // eat ')'.
 315
 316   return new PrototypeAST(FnName, ArgNames);
 317 }
 318
 319 /// definition ::= 'def' prototype expression
 320 static FunctionAST *ParseDefinition() {
 321   getNextToken();  // eat def.
 322   PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
 323   if (Proto == 0) return 0;
 324
 325   if (ExprAST *E = ParseExpression())
 326     return new FunctionAST(Proto, E);
 327   return 0;
 328 }
 329
 330 /// toplevelexpr ::= expression
 331 static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
 332   if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
 333     // Make an anonymous proto.
 334     PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
 335     return new FunctionAST(Proto, E);
 336   }
 337   return 0;
 338 }
 339
 340 /// external ::= 'extern' prototype
 341 static PrototypeAST *ParseExtern() {
 342   getNextToken();  // eat extern.
 343   return ParsePrototype();
 344 }
 345
 346 //===----------------------------------------------------------------------===//
 347 // Code Generation
 348 //===----------------------------------------------------------------------===//
 349
 350 static Module *TheModule;
 351 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 352 static std::map<std::string, Value*> NamedValues;
 353
 354 Value *ErrorV(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 355
 356 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 357   return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
 358 }
 359
 360 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 361   // Look this variable up in the function.
 362   Value *V = NamedValues[Name];
 363   return V ? V : ErrorV("Unknown variable name");
 364 }
 365
 366 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 367   Value *L = LHS->Codegen();
 368   Value *R = RHS->Codegen();
 369   if (L == 0 || R == 0) return 0;
 370
 371   switch (Op) {
 372   case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 373   case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 374   case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 375   case '<':
 376     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 377     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 378     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 379                                 "booltmp");
 380   default: return ErrorV("invalid binary operator");
 381   }
 382 }
 383
 384 Value *CallExprAST::Codegen() {
 385   // Look up the name in the global module table.
 386   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 387   if (CalleeF == 0)
 388     return ErrorV("Unknown function referenced");
 389
 390   // If argument mismatch error.
 391   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 392     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 393
 394   std::vector<Value*> ArgsV;
 395   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 396     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 397     if (ArgsV.back() == 0) return 0;
 398   }
 399
 400   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 401 }
 402
 403 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 404   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 405   std::vector<Type*> Doubles(Args.size(),
 406                              Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 407   FunctionType *FT = FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 408                                        Doubles, false);
 409
 410   Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 411
 412   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 413   // body, don't allow redefinition or reextern.
 414   if (F->getName() != Name) {
 415     // Delete the one we just made and get the existing one.
 416     F->eraseFromParent();
 417     F = TheModule->getFunction(Name);
 418
 419     // If F already has a body, reject this.
 420     if (!F->empty()) {
 421       ErrorF("redefinition of function");
 422       return 0;
 423     }
 424
 425     // If F took a different number of args, reject.
 426     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 427       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 428       return 0;
 429     }
 430   }
 431
 432   // Set names for all arguments.
 433   unsigned Idx = 0;
 434   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 435        ++AI, ++Idx) {
 436     AI->setName(Args[Idx]);
 437
 438     // Add arguments to variable symbol table.
 439     NamedValues[Args[Idx]] = AI;
 440   }
 441
 442   return F;
 443 }
 444
 445 Function *FunctionAST::Codegen() {
 446   NamedValues.clear();
 447
 448   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 449   if (TheFunction == 0)
 450     return 0;
 451
 452   // Create a new basic block to start insertion into.
 453   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 454   Builder.SetInsertPoint(BB);
 455
 456   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 457     // Finish off the function.
 458     Builder.CreateRet(RetVal);
 459
 460     // Validate the generated code, checking for consistency.
 461     verifyFunction(*TheFunction);
 462
 463     return TheFunction;
 464   }
 465
 466   // Error reading body, remove function.
 467   TheFunction->eraseFromParent();
 468   return 0;
 469 }
 470
 471 //===----------------------------------------------------------------------===//
 472 // Top-Level parsing and JIT Driver
 473 //===----------------------------------------------------------------------===//
 474
 475 static void HandleDefinition() {
 476   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
 477     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 478       fprintf(stderr, "Read function definition:");
 479       LF->dump();
 480     }
 481   } else {
 482     // Skip token for error recovery.
 483     getNextToken();
 484   }
 485 }
 486
 487 static void HandleExtern() {
 488   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
 489     if (Function *F = P->Codegen()) {
 490       fprintf(stderr, "Read extern: ");
 491       F->dump();
 492     }
 493   } else {
 494     // Skip token for error recovery.
 495     getNextToken();
 496   }
 497 }
 498
 499 static void HandleTopLevelExpression() {
 500   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
 501   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
 502     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 503       fprintf(stderr, "Read top-level expression:");
 504       LF->dump();
 505     }
 506   } else {
 507     // Skip token for error recovery.
 508     getNextToken();
 509   }
 510 }
 511
 512 /// top ::= definition | external | expression | ';'
 513 static void MainLoop() {
 514   while (1) {
 515     fprintf(stderr, "ready> ");
 516     switch (CurTok) {
 517     case tok_eof:    return;
 518     case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
 519     case tok_def:    HandleDefinition(); break;
 520     case tok_extern: HandleExtern(); break;
 521     default:         HandleTopLevelExpression(); break;
 522     }
 523   }
 524 }
 525
 526 //===----------------------------------------------------------------------===//
 527 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
 528 //===----------------------------------------------------------------------===//
 529
 530 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
 531 extern "C"
 532 double putchard(double X) {
 533   putchar((char)X);
 534   return 0;
 535 }
 536
 537 //===----------------------------------------------------------------------===//
 538 // Main driver code.
 539 //===----------------------------------------------------------------------===//
 540
 541 int main() {
 542   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
 543
 544   // Install standard binary operators.
 545   // 1 is lowest precedence.
 546   BinopPrecedence['<'] = 10;
 547   BinopPrecedence['+'] = 20;
 548   BinopPrecedence['-'] = 20;
 549   BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
 550
 551   // Prime the first token.
 552   fprintf(stderr, "ready> ");
 553   getNextToken();
 554
 555   // Make the module, which holds all the code.
 556   TheModule = new Module("my cool jit", Context);
 557
 558   // Run the main "interpreter loop" now.
 559   MainLoop();
 560
 561   // Print out all of the generated code.
 562   TheModule->dump();
 563
 564   return 0;
 565 }