examples/Kaleidoscope/Chapter3/toy.cpp

   1 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
   2 #include "llvm/IR/Verifier.h"
   3 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   4 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
   5 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
   6 #include "llvm/IR/Module.h"
   7 #include <cctype>
   8 #include <cstdio>
   9 #include <map>
  10 #include <string>
  11 #include <vector>
  12 using namespace llvm;
  13
  14 //===----------------------------------------------------------------------===//
  15 // Lexer
  16 //===----------------------------------------------------------------------===//
  17
  18 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  19 // of these for known things.
  20 enum Token {
  21   tok_eof = -1,
  22
  23   // commands
  24   tok_def = -2,
  25   tok_extern = -3,
  26
  27   // primary
  28   tok_identifier = -4,
  29   tok_number = -5
  30 };
  31
  32 static std::string IdentifierStr; // Filled in if tok_identifier
  33 static double NumVal;             // Filled in if tok_number
  34
  35 /// gettok - Return the next token from standard input.
  36 static int gettok() {
  37   static int LastChar = ' ';
  38
  39   // Skip any whitespace.
  40   while (isspace(LastChar))
  41     LastChar = getchar();
  42
  43   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  44     IdentifierStr = LastChar;
  45     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  46       IdentifierStr += LastChar;
  47
  48     if (IdentifierStr == "def")
  49       return tok_def;
  50     if (IdentifierStr == "extern")
  51       return tok_extern;
  52     return tok_identifier;
  53   }
  54
  55   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') { // Number: [0-9.]+
  56     std::string NumStr;
  57     do {
  58       NumStr += LastChar;
  59       LastChar = getchar();
  60     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  61
  62     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  63     return tok_number;
  64   }
  65
  66   if (LastChar == '#') {
  67     // Comment until end of line.
  68     do
  69       LastChar = getchar();
  70     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  71
  72     if (LastChar != EOF)
  73       return gettok();
  74   }
  75
  76   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  77   if (LastChar == EOF)
  78     return tok_eof;
  79
  80   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
  81   int ThisChar = LastChar;
  82   LastChar = getchar();
  83   return ThisChar;
  84 }
  85
  86 //===----------------------------------------------------------------------===//
  87 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
  88 //===----------------------------------------------------------------------===//
  89 namespace {
  90 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
  91 class ExprAST {
  92 public:
  93   virtual ~ExprAST() {}
  94   virtual Value *Codegen() = 0;
  95 };
  96
  97 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
  98 class NumberExprAST : public ExprAST {
  99   double Val;
 100
 101 public:
 102   NumberExprAST(double Val) : Val(Val) {}
 103   Value *Codegen() override;
 104 };
 105
 106 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 107 class VariableExprAST : public ExprAST {
 108   std::string Name;
 109
 110 public:
 111   VariableExprAST(const std::string &Name) : Name(Name) {}
 112   Value *Codegen() override;
 113 };
 114
 115 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 116 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 117   char Op;
 118   std::unique_ptr<ExprAST> LHS, RHS;
 119
 120 public:
 121   BinaryExprAST(char Op, std::unique_ptr<ExprAST> LHS,
 122                 std::unique_ptr<ExprAST> RHS)
 123       : Op(Op), LHS(std::move(LHS)), RHS(std::move(RHS)) {}
 124   Value *Codegen() override;
 125 };
 126
 127 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 128 class CallExprAST : public ExprAST {
 129   std::string Callee;
 130   std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args;
 131
 132 public:
 133   CallExprAST(const std::string &Callee,
 134               std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args)
 135       : Callee(Callee), Args(std::move(Args)) {}
 136   Value *Codegen() override;
 137 };
 138
 139 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 140 /// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
 141 /// of arguments the function takes).
 142 class PrototypeAST {
 143   std::string Name;
 144   std::vector<std::string> Args;
 145
 146 public:
 147   PrototypeAST(const std::string &Name, std::vector<std::string> Args)
 148       : Name(Name), Args(std::move(Args)) {}
 149   Function *Codegen();
 150 };
 151
 152 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 153 class FunctionAST {
 154   std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto;
 155   std::unique_ptr<ExprAST> Body;
 156
 157 public:
 158   FunctionAST(std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto,
 159               std::unique_ptr<ExprAST> Body)
 160       : Proto(std::move(Proto)), Body(std::move(Body)) {}
 161   Function *Codegen();
 162 };
 163 } // end anonymous namespace
 164
 165 //===----------------------------------------------------------------------===//
 166 // Parser
 167 //===----------------------------------------------------------------------===//
 168
 169 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 170 /// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
 171 /// lexer and updates CurTok with its results.
 172 static int CurTok;
 173 static int getNextToken() { return CurTok = gettok(); }
 174
 175 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 176 /// defined.
 177 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 178
 179 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 180 static int GetTokPrecedence() {
 181   if (!isascii(CurTok))
 182     return -1;
 183
 184   // Make sure it's a declared binop.
 185   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 186   if (TokPrec <= 0)
 187     return -1;
 188   return TokPrec;
 189 }
 190
 191 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 192 std::unique_ptr<ExprAST> Error(const char *Str) {
 193   fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);
 194   return nullptr;
 195 }
 196 std::unique_ptr<PrototypeAST> ErrorP(const char *Str) {
 197   Error(Str);
 198   return nullptr;
 199 }
 200 std::unique_ptr<FunctionAST> ErrorF(const char *Str) {
 201   Error(Str);
 202   return nullptr;
 203 }
 204
 205 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression();
 206
 207 /// numberexpr ::= number
 208 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseNumberExpr() {
 209   auto Result = llvm::make_unique<NumberExprAST>(NumVal);
 210   getNextToken(); // consume the number
 211   return std::move(Result);
 212 }
 213
 214 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 215 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseParenExpr() {
 216   getNextToken(); // eat (.
 217   auto V = ParseExpression();
 218   if (!V)
 219     return nullptr;
 220
 221   if (CurTok != ')')
 222     return Error("expected ')'");
 223   getNextToken(); // eat ).
 224   return V;
 225 }
 226
 227 /// identifierexpr
 228 ///   ::= identifier
 229 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 230 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseIdentifierExpr() {
 231   std::string IdName = IdentifierStr;
 232
 233   getNextToken(); // eat identifier.
 234
 235   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 236     return llvm::make_unique<VariableExprAST>(IdName);
 237
 238   // Call.
 239   getNextToken(); // eat (
 240   std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args;
 241   if (CurTok != ')') {
 242     while (1) {
 243       if (auto Arg = ParseExpression())
 244         Args.push_back(std::move(Arg));
 245       else
 246         return nullptr;
 247
 248       if (CurTok == ')')
 249         break;
 250
 251       if (CurTok != ',')
 252         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 253       getNextToken();
 254     }
 255   }
 256
 257   // Eat the ')'.
 258   getNextToken();
 259
 260   return llvm::make_unique<CallExprAST>(IdName, std::move(Args));
 261 }
 262
 263 /// primary
 264 ///   ::= identifierexpr
 265 ///   ::= numberexpr
 266 ///   ::= parenexpr
 267 static std::unique_ptr<ExprAST> ParsePrimary() {
 268   switch (CurTok) {
 269   default:
 270     return Error("unknown token when expecting an expression");
 271   case tok_identifier:
 272     return ParseIdentifierExpr();
 273   case tok_number:
 274     return ParseNumberExpr();
 275   case '(':
 276     return ParseParenExpr();
 277   }
 278 }
 279
 280 /// binoprhs
 281 ///   ::= ('+' primary)*
 282 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseBinOpRHS(int ExprPrec,
 283                                               std::unique_ptr<ExprAST> LHS) {
 284   // If this is a binop, find its precedence.
 285   while (1) {
 286     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 287
 288     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 289     // consume it, otherwise we are done.
 290     if (TokPrec < ExprPrec)
 291       return LHS;
 292
 293     // Okay, we know this is a binop.
 294     int BinOp = CurTok;
 295     getNextToken(); // eat binop
 296
 297     // Parse the primary expression after the binary operator.
 298     auto RHS = ParsePrimary();
 299     if (!RHS)
 300       return nullptr;
 301
 302     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 303     // the pending operator take RHS as its LHS.
 304     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 305     if (TokPrec < NextPrec) {
 306       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec + 1, std::move(RHS));
 307       if (!RHS)
 308         return nullptr;
 309     }
 310
 311     // Merge LHS/RHS.
 312     LHS =
 313         llvm::make_unique<BinaryExprAST>(BinOp, std::move(LHS), std::move(RHS));
 314   }
 315 }
 316
 317 /// expression
 318 ///   ::= primary binoprhs
 319 ///
 320 static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression() {
 321   auto LHS = ParsePrimary();
 322   if (!LHS)
 323     return nullptr;
 324
 325   return ParseBinOpRHS(0, std::move(LHS));
 326 }
 327
 328 /// prototype
 329 ///   ::= id '(' id* ')'
 330 static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParsePrototype() {
 331   if (CurTok != tok_identifier)
 332     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 333
 334   std::string FnName = IdentifierStr;
 335   getNextToken();
 336
 337   if (CurTok != '(')
 338     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 339
 340   std::vector<std::string> ArgNames;
 341   while (getNextToken() == tok_identifier)
 342     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 343   if (CurTok != ')')
 344     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 345
 346   // success.
 347   getNextToken(); // eat ')'.
 348
 349   return llvm::make_unique<PrototypeAST>(FnName, std::move(ArgNames));
 350 }
 351
 352 /// definition ::= 'def' prototype expression
 353 static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseDefinition() {
 354   getNextToken(); // eat def.
 355   auto Proto = ParsePrototype();
 356   if (!Proto)
 357     return nullptr;
 358
 359   if (auto E = ParseExpression())
 360     return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E));
 361   return nullptr;
 362 }
 363
 364 /// toplevelexpr ::= expression
 365 static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseTopLevelExpr() {
 366   if (auto E = ParseExpression()) {
 367     // Make an anonymous proto.
 368     auto Proto =
 369         llvm::make_unique<PrototypeAST>("", std::vector<std::string>());
 370     return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E));
 371   }
 372   return nullptr;
 373 }
 374
 375 /// external ::= 'extern' prototype
 376 static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParseExtern() {
 377   getNextToken(); // eat extern.
 378   return ParsePrototype();
 379 }
 380
 381 //===----------------------------------------------------------------------===//
 382 // Code Generation
 383 //===----------------------------------------------------------------------===//
 384
 385 Value *ErrorV(const char *Str) {
 386   Error(Str);
 387   return nullptr;
 388 }
 389
 390 static Module *TheModule;
 391 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 392 static std::map<std::string, Value *> NamedValues;
 393
 394 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 395   return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
 396 }
 397
 398 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 399   // Look this variable up in the function.
 400   Value *V = NamedValues[Name];
 401   if (!V)
 402     return ErrorV("Unknown variable name");
 403   return V;
 404 }
 405
 406 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 407   Value *L = LHS->Codegen();
 408   Value *R = RHS->Codegen();
 409   if (!L || !R)
 410     return nullptr;
 411
 412   switch (Op) {
 413   case '+':
 414     return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 415   case '-':
 416     return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 417   case '*':
 418     return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 419   case '<':
 420     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 421     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 422     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 423                                 "booltmp");
 424   default:
 425     return ErrorV("invalid binary operator");
 426   }
 427 }
 428
 429 Value *CallExprAST::Codegen() {
 430   // Look up the name in the global module table.
 431   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 432   if (!CalleeF)
 433     return ErrorV("Unknown function referenced");
 434
 435   // If argument mismatch error.
 436   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 437     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 438
 439   std::vector<Value *> ArgsV;
 440   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 441     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 442     if (!ArgsV.back())
 443       return nullptr;
 444   }
 445
 446   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 447 }
 448
 449 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 450   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 451   std::vector<Type *> Doubles(Args.size(),
 452                               Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 453   FunctionType *FT =
 454       FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), Doubles, false);
 455
 456   Function *F =
 457       Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 458
 459   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 460   // body, don't allow redefinition or reextern.
 461   if (F->getName() != Name) {
 462     // Delete the one we just made and get the existing one.
 463     F->eraseFromParent();
 464     F = TheModule->getFunction(Name);
 465
 466     // If F already has a body, reject this.
 467     if (!F->empty()) {
 468       ErrorF("redefinition of function");
 469       return nullptr;
 470     }
 471
 472     // If F took a different number of args, reject.
 473     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 474       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 475       return nullptr;
 476     }
 477   }
 478
 479   // Set names for all arguments.
 480   unsigned Idx = 0;
 481   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 482        ++AI, ++Idx) {
 483     AI->setName(Args[Idx]);
 484
 485     // Add arguments to variable symbol table.
 486     NamedValues[Args[Idx]] = AI;
 487   }
 488
 489   return F;
 490 }
 491
 492 Function *FunctionAST::Codegen() {
 493   NamedValues.clear();
 494
 495   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 496   if (!TheFunction)
 497     return nullptr;
 498
 499   // Create a new basic block to start insertion into.
 500   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 501   Builder.SetInsertPoint(BB);
 502
 503   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 504     // Finish off the function.
 505     Builder.CreateRet(RetVal);
 506
 507     // Validate the generated code, checking for consistency.
 508     verifyFunction(*TheFunction);
 509
 510     return TheFunction;
 511   }
 512
 513   // Error reading body, remove function.
 514   TheFunction->eraseFromParent();
 515   return nullptr;
 516 }
 517
 518 //===----------------------------------------------------------------------===//
 519 // Top-Level parsing and JIT Driver
 520 //===----------------------------------------------------------------------===//
 521
 522 static void HandleDefinition() {
 523   if (auto FnAST = ParseDefinition()) {
 524     if (auto *FnIR = FnAST->Codegen()) {
 525       fprintf(stderr, "Read function definition:");
 526       FnIR->dump();
 527     }
 528   } else {
 529     // Skip token for error recovery.
 530     getNextToken();
 531   }
 532 }
 533
 534 static void HandleExtern() {
 535   if (auto ProtoAST = ParseExtern()) {
 536     if (auto *FnIR = ProtoAST->Codegen()) {
 537       fprintf(stderr, "Read extern: ");
 538       FnIR->dump();
 539     }
 540   } else {
 541     // Skip token for error recovery.
 542     getNextToken();
 543   }
 544 }
 545
 546 static void HandleTopLevelExpression() {
 547   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
 548   if (auto FnAST = ParseTopLevelExpr()) {
 549     if (auto *FnIR = FnAST->Codegen()) {
 550       fprintf(stderr, "Read top-level expression:");
 551       FnIR->dump();
 552     }
 553   } else {
 554     // Skip token for error recovery.
 555     getNextToken();
 556   }
 557 }
 558
 559 /// top ::= definition | external | expression | ';'
 560 static void MainLoop() {
 561   while (1) {
 562     fprintf(stderr, "ready> ");
 563     switch (CurTok) {
 564     case tok_eof:
 565       return;
 566     case ';': // ignore top-level semicolons.
 567       getNextToken();
 568       break;
 569     case tok_def:
 570       HandleDefinition();
 571       break;
 572     case tok_extern:
 573       HandleExtern();
 574       break;
 575     default:
 576       HandleTopLevelExpression();
 577       break;
 578     }
 579   }
 580 }
 581
 582 //===----------------------------------------------------------------------===//
 583 // Main driver code.
 584 //===----------------------------------------------------------------------===//
 585
 586 int main() {
 587   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
 588
 589   // Install standard binary operators.
 590   // 1 is lowest precedence.
 591   BinopPrecedence['<'] = 10;
 592   BinopPrecedence['+'] = 20;
 593   BinopPrecedence['-'] = 20;
 594   BinopPrecedence['*'] = 40; // highest.
 595
 596   // Prime the first token.
 597   fprintf(stderr, "ready> ");
 598   getNextToken();
 599
 600   // Make the module, which holds all the code.
 601   std::unique_ptr<Module> Owner =
 602       llvm::make_unique<Module>("my cool jit", Context);
 603   TheModule = Owner.get();
 604
 605   // Run the main "interpreter loop" now.
 606   MainLoop();
 607
 608   // Print out all of the generated code.
 609   TheModule->dump();
 610
 611   return 0;
 612 }