examples/Kaleidoscope/Chapter6/toy.cpp

   1 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
   2 #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
   3 #include "llvm/ExecutionEngine/JIT.h"
   4 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
   5 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   6 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
   7 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
   8 #include "llvm/IR/Module.h"
   9 #include "llvm/IR/Verifier.h"
  10 #include "llvm/PassManager.h"
  11 #include "llvm/Support/TargetSelect.h"
  12 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  13 #include <cctype>
  14 #include <cstdio>
  15 #include <map>
  16 #include <string>
  17 #include <vector>
  18 using namespace llvm;
  19
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21 // Lexer
  22 //===----------------------------------------------------------------------===//
  23
  24 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  25 // of these for known things.
  26 enum Token {
  27   tok_eof = -1,
  28
  29   // commands
  30   tok_def = -2, tok_extern = -3,
  31
  32   // primary
  33   tok_identifier = -4, tok_number = -5,
  34
  35   // control
  36   tok_if = -6, tok_then = -7, tok_else = -8,
  37   tok_for = -9, tok_in = -10,
  38
  39   // operators
  40   tok_binary = -11, tok_unary = -12
  41 };
  42
  43 static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
  44 static double NumVal;              // Filled in if tok_number
  45
  46 /// gettok - Return the next token from standard input.
  47 static int gettok() {
  48   static int LastChar = ' ';
  49
  50   // Skip any whitespace.
  51   while (isspace(LastChar))
  52     LastChar = getchar();
  53
  54   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  55     IdentifierStr = LastChar;
  56     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  57       IdentifierStr += LastChar;
  58
  59     if (IdentifierStr == "def") return tok_def;
  60     if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern;
  61     if (IdentifierStr == "if") return tok_if;
  62     if (IdentifierStr == "then") return tok_then;
  63     if (IdentifierStr == "else") return tok_else;
  64     if (IdentifierStr == "for") return tok_for;
  65     if (IdentifierStr == "in") return tok_in;
  66     if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary;
  67     if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary;
  68     return tok_identifier;
  69   }
  70
  71   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
  72     std::string NumStr;
  73     do {
  74       NumStr += LastChar;
  75       LastChar = getchar();
  76     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  77
  78     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  79     return tok_number;
  80   }
  81
  82   if (LastChar == '#') {
  83     // Comment until end of line.
  84     do LastChar = getchar();
  85     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  86
  87     if (LastChar != EOF)
  88       return gettok();
  89   }
  90
  91   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  92   if (LastChar == EOF)
  93     return tok_eof;
  94
  95   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
  96   int ThisChar = LastChar;
  97   LastChar = getchar();
  98   return ThisChar;
  99 }
 100
 101 //===----------------------------------------------------------------------===//
 102 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 103 //===----------------------------------------------------------------------===//
 104 namespace {
 105 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
 106 class ExprAST {
 107 public:
 108   virtual ~ExprAST() {}
 109   virtual Value *Codegen() = 0;
 110 };
 111
 112 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
 113 class NumberExprAST : public ExprAST {
 114   double Val;
 115 public:
 116   NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
 117   virtual Value *Codegen();
 118 };
 119
 120 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 121 class VariableExprAST : public ExprAST {
 122   std::string Name;
 123 public:
 124   VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
 125   virtual Value *Codegen();
 126 };
 127
 128 /// UnaryExprAST - Expression class for a unary operator.
 129 class UnaryExprAST : public ExprAST {
 130   char Opcode;
 131   ExprAST *Operand;
 132 public:
 133   UnaryExprAST(char opcode, ExprAST *operand)
 134     : Opcode(opcode), Operand(operand) {}
 135   virtual Value *Codegen();
 136 };
 137
 138 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 139 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 140   char Op;
 141   ExprAST *LHS, *RHS;
 142 public:
 143   BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
 144     : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
 145   virtual Value *Codegen();
 146 };
 147
 148 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 149 class CallExprAST : public ExprAST {
 150   std::string Callee;
 151   std::vector<ExprAST*> Args;
 152 public:
 153   CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
 154     : Callee(callee), Args(args) {}
 155   virtual Value *Codegen();
 156 };
 157
 158 /// IfExprAST - Expression class for if/then/else.
 159 class IfExprAST : public ExprAST {
 160   ExprAST *Cond, *Then, *Else;
 161 public:
 162   IfExprAST(ExprAST *cond, ExprAST *then, ExprAST *_else)
 163   : Cond(cond), Then(then), Else(_else) {}
 164   virtual Value *Codegen();
 165 };
 166
 167 /// ForExprAST - Expression class for for/in.
 168 class ForExprAST : public ExprAST {
 169   std::string VarName;
 170   ExprAST *Start, *End, *Step, *Body;
 171 public:
 172   ForExprAST(const std::string &varname, ExprAST *start, ExprAST *end,
 173              ExprAST *step, ExprAST *body)
 174     : VarName(varname), Start(start), End(end), Step(step), Body(body) {}
 175   virtual Value *Codegen();
 176 };
 177
 178 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 179 /// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
 180 /// of arguments the function takes), as well as if it is an operator.
 181 class PrototypeAST {
 182   std::string Name;
 183   std::vector<std::string> Args;
 184   bool isOperator;
 185   unsigned Precedence;  // Precedence if a binary op.
 186 public:
 187   PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args,
 188                bool isoperator = false, unsigned prec = 0)
 189   : Name(name), Args(args), isOperator(isoperator), Precedence(prec) {}
 190
 191   bool isUnaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 1; }
 192   bool isBinaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 2; }
 193
 194   char getOperatorName() const {
 195     assert(isUnaryOp() || isBinaryOp());
 196     return Name[Name.size()-1];
 197   }
 198
 199   unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; }
 200
 201   Function *Codegen();
 202 };
 203
 204 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 205 class FunctionAST {
 206   PrototypeAST *Proto;
 207   ExprAST *Body;
 208 public:
 209   FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body)
 210     : Proto(proto), Body(body) {}
 211
 212   Function *Codegen();
 213 };
 214 } // end anonymous namespace
 215
 216 //===----------------------------------------------------------------------===//
 217 // Parser
 218 //===----------------------------------------------------------------------===//
 219
 220 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 221 /// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
 222 /// lexer and updates CurTok with its results.
 223 static int CurTok;
 224 static int getNextToken() {
 225   return CurTok = gettok();
 226 }
 227
 228 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 229 /// defined.
 230 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 231
 232 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 233 static int GetTokPrecedence() {
 234   if (!isascii(CurTok))
 235     return -1;
 236
 237   // Make sure it's a declared binop.
 238   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 239   if (TokPrec <= 0) return -1;
 240   return TokPrec;
 241 }
 242
 243 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 244 ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
 245 PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 246 FunctionAST *ErrorF(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 247
 248 static ExprAST *ParseExpression();
 249
 250 /// identifierexpr
 251 ///   ::= identifier
 252 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 253 static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
 254   std::string IdName = IdentifierStr;
 255
 256   getNextToken();  // eat identifier.
 257
 258   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 259     return new VariableExprAST(IdName);
 260
 261   // Call.
 262   getNextToken();  // eat (
 263   std::vector<ExprAST*> Args;
 264   if (CurTok != ')') {
 265     while (1) {
 266       ExprAST *Arg = ParseExpression();
 267       if (!Arg) return 0;
 268       Args.push_back(Arg);
 269
 270       if (CurTok == ')') break;
 271
 272       if (CurTok != ',')
 273         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 274       getNextToken();
 275     }
 276   }
 277
 278   // Eat the ')'.
 279   getNextToken();
 280
 281   return new CallExprAST(IdName, Args);
 282 }
 283
 284 /// numberexpr ::= number
 285 static ExprAST *ParseNumberExpr() {
 286   ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
 287   getNextToken(); // consume the number
 288   return Result;
 289 }
 290
 291 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 292 static ExprAST *ParseParenExpr() {
 293   getNextToken();  // eat (.
 294   ExprAST *V = ParseExpression();
 295   if (!V) return 0;
 296
 297   if (CurTok != ')')
 298     return Error("expected ')'");
 299   getNextToken();  // eat ).
 300   return V;
 301 }
 302
 303 /// ifexpr ::= 'if' expression 'then' expression 'else' expression
 304 static ExprAST *ParseIfExpr() {
 305   getNextToken();  // eat the if.
 306
 307   // condition.
 308   ExprAST *Cond = ParseExpression();
 309   if (!Cond) return 0;
 310
 311   if (CurTok != tok_then)
 312     return Error("expected then");
 313   getNextToken();  // eat the then
 314
 315   ExprAST *Then = ParseExpression();
 316   if (Then == 0) return 0;
 317
 318   if (CurTok != tok_else)
 319     return Error("expected else");
 320
 321   getNextToken();
 322
 323   ExprAST *Else = ParseExpression();
 324   if (!Else) return 0;
 325
 326   return new IfExprAST(Cond, Then, Else);
 327 }
 328
 329 /// forexpr ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression
 330 static ExprAST *ParseForExpr() {
 331   getNextToken();  // eat the for.
 332
 333   if (CurTok != tok_identifier)
 334     return Error("expected identifier after for");
 335
 336   std::string IdName = IdentifierStr;
 337   getNextToken();  // eat identifier.
 338
 339   if (CurTok != '=')
 340     return Error("expected '=' after for");
 341   getNextToken();  // eat '='.
 342
 343
 344   ExprAST *Start = ParseExpression();
 345   if (Start == 0) return 0;
 346   if (CurTok != ',')
 347     return Error("expected ',' after for start value");
 348   getNextToken();
 349
 350   ExprAST *End = ParseExpression();
 351   if (End == 0) return 0;
 352
 353   // The step value is optional.
 354   ExprAST *Step = 0;
 355   if (CurTok == ',') {
 356     getNextToken();
 357     Step = ParseExpression();
 358     if (Step == 0) return 0;
 359   }
 360
 361   if (CurTok != tok_in)
 362     return Error("expected 'in' after for");
 363   getNextToken();  // eat 'in'.
 364
 365   ExprAST *Body = ParseExpression();
 366   if (Body == 0) return 0;
 367
 368   return new ForExprAST(IdName, Start, End, Step, Body);
 369 }
 370
 371 /// primary
 372 ///   ::= identifierexpr
 373 ///   ::= numberexpr
 374 ///   ::= parenexpr
 375 ///   ::= ifexpr
 376 ///   ::= forexpr
 377 static ExprAST *ParsePrimary() {
 378   switch (CurTok) {
 379   default: return Error("unknown token when expecting an expression");
 380   case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
 381   case tok_number:     return ParseNumberExpr();
 382   case '(':            return ParseParenExpr();
 383   case tok_if:         return ParseIfExpr();
 384   case tok_for:        return ParseForExpr();
 385   }
 386 }
 387
 388 /// unary
 389 ///   ::= primary
 390 ///   ::= '!' unary
 391 static ExprAST *ParseUnary() {
 392   // If the current token is not an operator, it must be a primary expr.
 393   if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',')
 394     return ParsePrimary();
 395
 396   // If this is a unary operator, read it.
 397   int Opc = CurTok;
 398   getNextToken();
 399   if (ExprAST *Operand = ParseUnary())
 400     return new UnaryExprAST(Opc, Operand);
 401   return 0;
 402 }
 403
 404 /// binoprhs
 405 ///   ::= ('+' unary)*
 406 static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
 407   // If this is a binop, find its precedence.
 408   while (1) {
 409     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 410
 411     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 412     // consume it, otherwise we are done.
 413     if (TokPrec < ExprPrec)
 414       return LHS;
 415
 416     // Okay, we know this is a binop.
 417     int BinOp = CurTok;
 418     getNextToken();  // eat binop
 419
 420     // Parse the unary expression after the binary operator.
 421     ExprAST *RHS = ParseUnary();
 422     if (!RHS) return 0;
 423
 424     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 425     // the pending operator take RHS as its LHS.
 426     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 427     if (TokPrec < NextPrec) {
 428       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
 429       if (RHS == 0) return 0;
 430     }
 431
 432     // Merge LHS/RHS.
 433     LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
 434   }
 435 }
 436
 437 /// expression
 438 ///   ::= unary binoprhs
 439 ///
 440 static ExprAST *ParseExpression() {
 441   ExprAST *LHS = ParseUnary();
 442   if (!LHS) return 0;
 443
 444   return ParseBinOpRHS(0, LHS);
 445 }
 446
 447 /// prototype
 448 ///   ::= id '(' id* ')'
 449 ///   ::= binary LETTER number? (id, id)
 450 ///   ::= unary LETTER (id)
 451 static PrototypeAST *ParsePrototype() {
 452   std::string FnName;
 453
 454   unsigned Kind = 0; // 0 = identifier, 1 = unary, 2 = binary.
 455   unsigned BinaryPrecedence = 30;
 456
 457   switch (CurTok) {
 458   default:
 459     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 460   case tok_identifier:
 461     FnName = IdentifierStr;
 462     Kind = 0;
 463     getNextToken();
 464     break;
 465   case tok_unary:
 466     getNextToken();
 467     if (!isascii(CurTok))
 468       return ErrorP("Expected unary operator");
 469     FnName = "unary";
 470     FnName += (char)CurTok;
 471     Kind = 1;
 472     getNextToken();
 473     break;
 474   case tok_binary:
 475     getNextToken();
 476     if (!isascii(CurTok))
 477       return ErrorP("Expected binary operator");
 478     FnName = "binary";
 479     FnName += (char)CurTok;
 480     Kind = 2;
 481     getNextToken();
 482
 483     // Read the precedence if present.
 484     if (CurTok == tok_number) {
 485       if (NumVal < 1 || NumVal > 100)
 486         return ErrorP("Invalid precedecnce: must be 1..100");
 487       BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal;
 488       getNextToken();
 489     }
 490     break;
 491   }
 492
 493   if (CurTok != '(')
 494     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 495
 496   std::vector<std::string> ArgNames;
 497   while (getNextToken() == tok_identifier)
 498     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 499   if (CurTok != ')')
 500     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 501
 502   // success.
 503   getNextToken();  // eat ')'.
 504
 505   // Verify right number of names for operator.
 506   if (Kind && ArgNames.size() != Kind)
 507     return ErrorP("Invalid number of operands for operator");
 508
 509   return new PrototypeAST(FnName, ArgNames, Kind != 0, BinaryPrecedence);
 510 }
 511
 512 /// definition ::= 'def' prototype expression
 513 static FunctionAST *ParseDefinition() {
 514   getNextToken();  // eat def.
 515   PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
 516   if (Proto == 0) return 0;
 517
 518   if (ExprAST *E = ParseExpression())
 519     return new FunctionAST(Proto, E);
 520   return 0;
 521 }
 522
 523 /// toplevelexpr ::= expression
 524 static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
 525   if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
 526     // Make an anonymous proto.
 527     PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
 528     return new FunctionAST(Proto, E);
 529   }
 530   return 0;
 531 }
 532
 533 /// external ::= 'extern' prototype
 534 static PrototypeAST *ParseExtern() {
 535   getNextToken();  // eat extern.
 536   return ParsePrototype();
 537 }
 538
 539 //===----------------------------------------------------------------------===//
 540 // Code Generation
 541 //===----------------------------------------------------------------------===//
 542
 543 static Module *TheModule;
 544 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 545 static std::map<std::string, Value*> NamedValues;
 546 static FunctionPassManager *TheFPM;
 547
 548 Value *ErrorV(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 549
 550 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 551   return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
 552 }
 553
 554 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 555   // Look this variable up in the function.
 556   Value *V = NamedValues[Name];
 557   return V ? V : ErrorV("Unknown variable name");
 558 }
 559
 560 Value *UnaryExprAST::Codegen() {
 561   Value *OperandV = Operand->Codegen();
 562   if (OperandV == 0) return 0;
 563
 564   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("unary")+Opcode);
 565   if (F == 0)
 566     return ErrorV("Unknown unary operator");
 567
 568   return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop");
 569 }
 570
 571 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 572   Value *L = LHS->Codegen();
 573   Value *R = RHS->Codegen();
 574   if (L == 0 || R == 0) return 0;
 575
 576   switch (Op) {
 577   case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 578   case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 579   case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 580   case '<':
 581     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 582     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 583     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 584                                 "booltmp");
 585   default: break;
 586   }
 587
 588   // If it wasn't a builtin binary operator, it must be a user defined one. Emit
 589   // a call to it.
 590   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("binary")+Op);
 591   assert(F && "binary operator not found!");
 592
 593   Value *Ops[] = { L, R };
 594   return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop");
 595 }
 596
 597 Value *CallExprAST::Codegen() {
 598   // Look up the name in the global module table.
 599   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 600   if (CalleeF == 0)
 601     return ErrorV("Unknown function referenced");
 602
 603   // If argument mismatch error.
 604   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 605     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 606
 607   std::vector<Value*> ArgsV;
 608   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 609     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 610     if (ArgsV.back() == 0) return 0;
 611   }
 612
 613   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 614 }
 615
 616 Value *IfExprAST::Codegen() {
 617   Value *CondV = Cond->Codegen();
 618   if (CondV == 0) return 0;
 619
 620   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 621   CondV = Builder.CreateFCmpONE(CondV,
 622                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 623                                 "ifcond");
 624
 625   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 626
 627   // Create blocks for the then and else cases.  Insert the 'then' block at the
 628   // end of the function.
 629   BasicBlock *ThenBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "then", TheFunction);
 630   BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "else");
 631   BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "ifcont");
 632
 633   Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB);
 634
 635   // Emit then value.
 636   Builder.SetInsertPoint(ThenBB);
 637
 638   Value *ThenV = Then->Codegen();
 639   if (ThenV == 0) return 0;
 640
 641   Builder.CreateBr(MergeBB);
 642   // Codegen of 'Then' can change the current block, update ThenBB for the PHI.
 643   ThenBB = Builder.GetInsertBlock();
 644
 645   // Emit else block.
 646   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB);
 647   Builder.SetInsertPoint(ElseBB);
 648
 649   Value *ElseV = Else->Codegen();
 650   if (ElseV == 0) return 0;
 651
 652   Builder.CreateBr(MergeBB);
 653   // Codegen of 'Else' can change the current block, update ElseBB for the PHI.
 654   ElseBB = Builder.GetInsertBlock();
 655
 656   // Emit merge block.
 657   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB);
 658   Builder.SetInsertPoint(MergeBB);
 659   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 2,
 660                                   "iftmp");
 661
 662   PN->addIncoming(ThenV, ThenBB);
 663   PN->addIncoming(ElseV, ElseBB);
 664   return PN;
 665 }
 666
 667 Value *ForExprAST::Codegen() {
 668   // Output this as:
 669   //   ...
 670   //   start = startexpr
 671   //   goto loop
 672   // loop:
 673   //   variable = phi [start, loopheader], [nextvariable, loopend]
 674   //   ...
 675   //   bodyexpr
 676   //   ...
 677   // loopend:
 678   //   step = stepexpr
 679   //   nextvariable = variable + step
 680   //   endcond = endexpr
 681   //   br endcond, loop, endloop
 682   // outloop:
 683
 684   // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
 685   Value *StartVal = Start->Codegen();
 686   if (StartVal == 0) return 0;
 687
 688   // Make the new basic block for the loop header, inserting after current
 689   // block.
 690   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 691   BasicBlock *PreheaderBB = Builder.GetInsertBlock();
 692   BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "loop", TheFunction);
 693
 694   // Insert an explicit fall through from the current block to the LoopBB.
 695   Builder.CreateBr(LoopBB);
 696
 697   // Start insertion in LoopBB.
 698   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
 699
 700   // Start the PHI node with an entry for Start.
 701   PHINode *Variable = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 2, VarName.c_str());
 702   Variable->addIncoming(StartVal, PreheaderBB);
 703
 704   // Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node.  If it
 705   // shadows an existing variable, we have to restore it, so save it now.
 706   Value *OldVal = NamedValues[VarName];
 707   NamedValues[VarName] = Variable;
 708
 709   // Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
 710   // current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but don't
 711   // allow an error.
 712   if (Body->Codegen() == 0)
 713     return 0;
 714
 715   // Emit the step value.
 716   Value *StepVal;
 717   if (Step) {
 718     StepVal = Step->Codegen();
 719     if (StepVal == 0) return 0;
 720   } else {
 721     // If not specified, use 1.0.
 722     StepVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(1.0));
 723   }
 724
 725   Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(Variable, StepVal, "nextvar");
 726
 727   // Compute the end condition.
 728   Value *EndCond = End->Codegen();
 729   if (EndCond == 0) return EndCond;
 730
 731   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 732   EndCond = Builder.CreateFCmpONE(EndCond,
 733                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 734                                   "loopcond");
 735
 736   // Create the "after loop" block and insert it.
 737   BasicBlock *LoopEndBB = Builder.GetInsertBlock();
 738   BasicBlock *AfterBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "afterloop", TheFunction);
 739
 740   // Insert the conditional branch into the end of LoopEndBB.
 741   Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);
 742
 743   // Any new code will be inserted in AfterBB.
 744   Builder.SetInsertPoint(AfterBB);
 745
 746   // Add a new entry to the PHI node for the backedge.
 747   Variable->addIncoming(NextVar, LoopEndBB);
 748
 749   // Restore the unshadowed variable.
 750   if (OldVal)
 751     NamedValues[VarName] = OldVal;
 752   else
 753     NamedValues.erase(VarName);
 754
 755
 756   // for expr always returns 0.0.
 757   return Constant::getNullValue(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 758 }
 759
 760 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 761   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 762   std::vector<Type*> Doubles(Args.size(),
 763                              Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 764   FunctionType *FT = FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 765                                        Doubles, false);
 766
 767   Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 768
 769   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 770   // body, don't allow redefinition or reextern.
 771   if (F->getName() != Name) {
 772     // Delete the one we just made and get the existing one.
 773     F->eraseFromParent();
 774     F = TheModule->getFunction(Name);
 775
 776     // If F already has a body, reject this.
 777     if (!F->empty()) {
 778       ErrorF("redefinition of function");
 779       return 0;
 780     }
 781
 782     // If F took a different number of args, reject.
 783     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 784       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 785       return 0;
 786     }
 787   }
 788
 789   // Set names for all arguments.
 790   unsigned Idx = 0;
 791   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 792        ++AI, ++Idx) {
 793     AI->setName(Args[Idx]);
 794
 795     // Add arguments to variable symbol table.
 796     NamedValues[Args[Idx]] = AI;
 797   }
 798
 799   return F;
 800 }
 801
 802 Function *FunctionAST::Codegen() {
 803   NamedValues.clear();
 804
 805   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 806   if (TheFunction == 0)
 807     return 0;
 808
 809   // If this is an operator, install it.
 810   if (Proto->isBinaryOp())
 811     BinopPrecedence[Proto->getOperatorName()] = Proto->getBinaryPrecedence();
 812
 813   // Create a new basic block to start insertion into.
 814   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 815   Builder.SetInsertPoint(BB);
 816
 817   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 818     // Finish off the function.
 819     Builder.CreateRet(RetVal);
 820
 821     // Validate the generated code, checking for consistency.
 822     verifyFunction(*TheFunction);
 823
 824     // Optimize the function.
 825     TheFPM->run(*TheFunction);
 826
 827     return TheFunction;
 828   }
 829
 830   // Error reading body, remove function.
 831   TheFunction->eraseFromParent();
 832
 833   if (Proto->isBinaryOp())
 834     BinopPrecedence.erase(Proto->getOperatorName());
 835   return 0;
 836 }
 837
 838 //===----------------------------------------------------------------------===//
 839 // Top-Level parsing and JIT Driver
 840 //===----------------------------------------------------------------------===//
 841
 842 static ExecutionEngine *TheExecutionEngine;
 843
 844 static void HandleDefinition() {
 845   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
 846     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 847       fprintf(stderr, "Read function definition:");
 848       LF->dump();
 849     }
 850   } else {
 851     // Skip token for error recovery.
 852     getNextToken();
 853   }
 854 }
 855
 856 static void HandleExtern() {
 857   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
 858     if (Function *F = P->Codegen()) {
 859       fprintf(stderr, "Read extern: ");
 860       F->dump();
 861     }
 862   } else {
 863     // Skip token for error recovery.
 864     getNextToken();
 865   }
 866 }
 867
 868 static void HandleTopLevelExpression() {
 869   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
 870   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
 871     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 872       // JIT the function, returning a function pointer.
 873       void *FPtr = TheExecutionEngine->getPointerToFunction(LF);
 874
 875       // Cast it to the right type (takes no arguments, returns a double) so we
 876       // can call it as a native function.
 877       double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)FPtr;
 878       fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP());
 879     }
 880   } else {
 881     // Skip token for error recovery.
 882     getNextToken();
 883   }
 884 }
 885
 886 /// top ::= definition | external | expression | ';'
 887 static void MainLoop() {
 888   while (1) {
 889     fprintf(stderr, "ready> ");
 890     switch (CurTok) {
 891     case tok_eof:    return;
 892     case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
 893     case tok_def:    HandleDefinition(); break;
 894     case tok_extern: HandleExtern(); break;
 895     default:         HandleTopLevelExpression(); break;
 896     }
 897   }
 898 }
 899
 900 //===----------------------------------------------------------------------===//
 901 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
 902 //===----------------------------------------------------------------------===//
 903
 904 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
 905 extern "C"
 906 double putchard(double X) {
 907   putchar((char)X);
 908   return 0;
 909 }
 910
 911 /// printd - printf that takes a double prints it as "%f\n", returning 0.
 912 extern "C"
 913 double printd(double X) {
 914   printf("%f\n", X);
 915   return 0;
 916 }
 917
 918 //===----------------------------------------------------------------------===//
 919 // Main driver code.
 920 //===----------------------------------------------------------------------===//
 921
 922 int main() {
 923   InitializeNativeTarget();
 924   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
 925
 926   // Install standard binary operators.
 927   // 1 is lowest precedence.
 928   BinopPrecedence['<'] = 10;
 929   BinopPrecedence['+'] = 20;
 930   BinopPrecedence['-'] = 20;
 931   BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
 932
 933   // Prime the first token.
 934   fprintf(stderr, "ready> ");
 935   getNextToken();
 936
 937   // Make the module, which holds all the code.
 938   TheModule = new Module("my cool jit", Context);
 939
 940   // Create the JIT.  This takes ownership of the module.
 941   std::string ErrStr;
 942   TheExecutionEngine = EngineBuilder(TheModule).setErrorStr(&ErrStr).create();
 943   if (!TheExecutionEngine) {
 944     fprintf(stderr, "Could not create ExecutionEngine: %s\n", ErrStr.c_str());
 945     exit(1);
 946   }
 947
 948   FunctionPassManager OurFPM(TheModule);
 949
 950   // Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
 951   // target lays out data structures.
 952   OurFPM.add(new DataLayout(*TheExecutionEngine->getDataLayout()));
 953   // Provide basic AliasAnalysis support for GVN.
 954   OurFPM.add(createBasicAliasAnalysisPass());
 955   // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
 956   OurFPM.add(createInstructionCombiningPass());
 957   // Reassociate expressions.
 958   OurFPM.add(createReassociatePass());
 959   // Eliminate Common SubExpressions.
 960   OurFPM.add(createGVNPass());
 961   // Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc).
 962   OurFPM.add(createCFGSimplificationPass());
 963
 964   OurFPM.doInitialization();
 965
 966   // Set the global so the code gen can use this.
 967   TheFPM = &OurFPM;
 968
 969   // Run the main "interpreter loop" now.
 970   MainLoop();
 971
 972   TheFPM = 0;
 973
 974   // Print out all of the generated code.
 975   TheModule->dump();
 976
 977   return 0;
 978 }