examples/Kaleidoscope/Chapter6/toy.cpp

   1 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
   2 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
   3 #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
   4 #include "llvm/ExecutionEngine/MCJIT.h"
   5 #include "llvm/ExecutionEngine/SectionMemoryManager.h"
   6 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
   7 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   8 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
   9 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  10 #include "llvm/IR/LegacyPassManager.h"
  11 #include "llvm/IR/Module.h"
  12 #include "llvm/IR/Verifier.h"
  13 #include "llvm/Support/TargetSelect.h"
  14 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  15 #include <cctype>
  16 #include <cstdio>
  17 #include <map>
  18 #include <string>
  19 #include <vector>
  20 using namespace llvm;
  21
  22 //===----------------------------------------------------------------------===//
  23 // Lexer
  24 //===----------------------------------------------------------------------===//
  25
  26 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  27 // of these for known things.
  28 enum Token {
  29   tok_eof = -1,
  30
  31   // commands
  32   tok_def = -2,
  33   tok_extern = -3,
  34
  35   // primary
  36   tok_identifier = -4,
  37   tok_number = -5,
  38
  39   // control
  40   tok_if = -6,
  41   tok_then = -7,
  42   tok_else = -8,
  43   tok_for = -9,
  44   tok_in = -10,
  45
  46   // operators
  47   tok_binary = -11,
  48   tok_unary = -12
  49 };
  50
  51 static std::string IdentifierStr; // Filled in if tok_identifier
  52 static double NumVal;             // Filled in if tok_number
  53
  54 /// gettok - Return the next token from standard input.
  55 static int gettok() {
  56   static int LastChar = ' ';
  57
  58   // Skip any whitespace.
  59   while (isspace(LastChar))
  60     LastChar = getchar();
  61
  62   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  63     IdentifierStr = LastChar;
  64     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  65       IdentifierStr += LastChar;
  66
  67     if (IdentifierStr == "def")
  68       return tok_def;
  69     if (IdentifierStr == "extern")
  70       return tok_extern;
  71     if (IdentifierStr == "if")
  72       return tok_if;
  73     if (IdentifierStr == "then")
  74       return tok_then;
  75     if (IdentifierStr == "else")
  76       return tok_else;
  77     if (IdentifierStr == "for")
  78       return tok_for;
  79     if (IdentifierStr == "in")
  80       return tok_in;
  81     if (IdentifierStr == "binary")
  82       return tok_binary;
  83     if (IdentifierStr == "unary")
  84       return tok_unary;
  85     return tok_identifier;
  86   }
  87
  88   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') { // Number: [0-9.]+
  89     std::string NumStr;
  90     do {
  91       NumStr += LastChar;
  92       LastChar = getchar();
  93     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  94
  95     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  96     return tok_number;
  97   }
  98
  99   if (LastChar == '#') {
 100     // Comment until end of line.
 101     do
 102       LastChar = getchar();
 103     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
 104
 105     if (LastChar != EOF)
 106       return gettok();
 107   }
 108
 109   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
 110   if (LastChar == EOF)
 111     return tok_eof;
 112
 113   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
 114   int ThisChar = LastChar;
 115   LastChar = getchar();
 116   return ThisChar;
 117 }
 118
 119 //===----------------------------------------------------------------------===//
 120 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 121 //===----------------------------------------------------------------------===//
 122 namespace {
 123 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
 124 class ExprAST {
 125 public:
 126   virtual ~ExprAST() {}
 127   virtual Value *Codegen() = 0;
 128 };
 129
 130 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
 131 class NumberExprAST : public ExprAST {
 132   double Val;
 133
 134 public:
 135   NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
 136   virtual Value *Codegen();
 137 };
 138
 139 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 140 class VariableExprAST : public ExprAST {
 141   std::string Name;
 142
 143 public:
 144   VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
 145   virtual Value *Codegen();
 146 };
 147
 148 /// UnaryExprAST - Expression class for a unary operator.
 149 class UnaryExprAST : public ExprAST {
 150   char Opcode;
 151   ExprAST *Operand;
 152
 153 public:
 154   UnaryExprAST(char opcode, ExprAST *operand)
 155       : Opcode(opcode), Operand(operand) {}
 156   virtual Value *Codegen();
 157 };
 158
 159 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 160 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 161   char Op;
 162   ExprAST *LHS, *RHS;
 163
 164 public:
 165   BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
 166       : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
 167   virtual Value *Codegen();
 168 };
 169
 170 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 171 class CallExprAST : public ExprAST {
 172   std::string Callee;
 173   std::vector<ExprAST *> Args;
 174
 175 public:
 176   CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST *> &args)
 177       : Callee(callee), Args(args) {}
 178   virtual Value *Codegen();
 179 };
 180
 181 /// IfExprAST - Expression class for if/then/else.
 182 class IfExprAST : public ExprAST {
 183   ExprAST *Cond, *Then, *Else;
 184
 185 public:
 186   IfExprAST(ExprAST *cond, ExprAST *then, ExprAST *_else)
 187       : Cond(cond), Then(then), Else(_else) {}
 188   virtual Value *Codegen();
 189 };
 190
 191 /// ForExprAST - Expression class for for/in.
 192 class ForExprAST : public ExprAST {
 193   std::string VarName;
 194   ExprAST *Start, *End, *Step, *Body;
 195
 196 public:
 197   ForExprAST(const std::string &varname, ExprAST *start, ExprAST *end,
 198              ExprAST *step, ExprAST *body)
 199       : VarName(varname), Start(start), End(end), Step(step), Body(body) {}
 200   virtual Value *Codegen();
 201 };
 202
 203 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 204 /// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
 205 /// of arguments the function takes), as well as if it is an operator.
 206 class PrototypeAST {
 207   std::string Name;
 208   std::vector<std::string> Args;
 209   bool isOperator;
 210   unsigned Precedence; // Precedence if a binary op.
 211 public:
 212   PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args,
 213                bool isoperator = false, unsigned prec = 0)
 214       : Name(name), Args(args), isOperator(isoperator), Precedence(prec) {}
 215
 216   bool isUnaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 1; }
 217   bool isBinaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 2; }
 218
 219   char getOperatorName() const {
 220     assert(isUnaryOp() || isBinaryOp());
 221     return Name[Name.size() - 1];
 222   }
 223
 224   unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; }
 225
 226   Function *Codegen();
 227 };
 228
 229 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 230 class FunctionAST {
 231   PrototypeAST *Proto;
 232   ExprAST *Body;
 233
 234 public:
 235   FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body) : Proto(proto), Body(body) {}
 236
 237   Function *Codegen();
 238 };
 239 } // end anonymous namespace
 240
 241 //===----------------------------------------------------------------------===//
 242 // Parser
 243 //===----------------------------------------------------------------------===//
 244
 245 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 246 /// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
 247 /// lexer and updates CurTok with its results.
 248 static int CurTok;
 249 static int getNextToken() { return CurTok = gettok(); }
 250
 251 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 252 /// defined.
 253 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 254
 255 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 256 static int GetTokPrecedence() {
 257   if (!isascii(CurTok))
 258     return -1;
 259
 260   // Make sure it's a declared binop.
 261   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 262   if (TokPrec <= 0)
 263     return -1;
 264   return TokPrec;
 265 }
 266
 267 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 268 ExprAST *Error(const char *Str) {
 269   fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);
 270   return 0;
 271 }
 272 PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) {
 273   Error(Str);
 274   return 0;
 275 }
 276 FunctionAST *ErrorF(const char *Str) {
 277   Error(Str);
 278   return 0;
 279 }
 280
 281 static ExprAST *ParseExpression();
 282
 283 /// identifierexpr
 284 ///   ::= identifier
 285 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 286 static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
 287   std::string IdName = IdentifierStr;
 288
 289   getNextToken(); // eat identifier.
 290
 291   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 292     return new VariableExprAST(IdName);
 293
 294   // Call.
 295   getNextToken(); // eat (
 296   std::vector<ExprAST *> Args;
 297   if (CurTok != ')') {
 298     while (1) {
 299       ExprAST *Arg = ParseExpression();
 300       if (!Arg)
 301         return 0;
 302       Args.push_back(Arg);
 303
 304       if (CurTok == ')')
 305         break;
 306
 307       if (CurTok != ',')
 308         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 309       getNextToken();
 310     }
 311   }
 312
 313   // Eat the ')'.
 314   getNextToken();
 315
 316   return new CallExprAST(IdName, Args);
 317 }
 318
 319 /// numberexpr ::= number
 320 static ExprAST *ParseNumberExpr() {
 321   ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
 322   getNextToken(); // consume the number
 323   return Result;
 324 }
 325
 326 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 327 static ExprAST *ParseParenExpr() {
 328   getNextToken(); // eat (.
 329   ExprAST *V = ParseExpression();
 330   if (!V)
 331     return 0;
 332
 333   if (CurTok != ')')
 334     return Error("expected ')'");
 335   getNextToken(); // eat ).
 336   return V;
 337 }
 338
 339 /// ifexpr ::= 'if' expression 'then' expression 'else' expression
 340 static ExprAST *ParseIfExpr() {
 341   getNextToken(); // eat the if.
 342
 343   // condition.
 344   ExprAST *Cond = ParseExpression();
 345   if (!Cond)
 346     return 0;
 347
 348   if (CurTok != tok_then)
 349     return Error("expected then");
 350   getNextToken(); // eat the then
 351
 352   ExprAST *Then = ParseExpression();
 353   if (Then == 0)
 354     return 0;
 355
 356   if (CurTok != tok_else)
 357     return Error("expected else");
 358
 359   getNextToken();
 360
 361   ExprAST *Else = ParseExpression();
 362   if (!Else)
 363     return 0;
 364
 365   return new IfExprAST(Cond, Then, Else);
 366 }
 367
 368 /// forexpr ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression
 369 static ExprAST *ParseForExpr() {
 370   getNextToken(); // eat the for.
 371
 372   if (CurTok != tok_identifier)
 373     return Error("expected identifier after for");
 374
 375   std::string IdName = IdentifierStr;
 376   getNextToken(); // eat identifier.
 377
 378   if (CurTok != '=')
 379     return Error("expected '=' after for");
 380   getNextToken(); // eat '='.
 381
 382   ExprAST *Start = ParseExpression();
 383   if (Start == 0)
 384     return 0;
 385   if (CurTok != ',')
 386     return Error("expected ',' after for start value");
 387   getNextToken();
 388
 389   ExprAST *End = ParseExpression();
 390   if (End == 0)
 391     return 0;
 392
 393   // The step value is optional.
 394   ExprAST *Step = 0;
 395   if (CurTok == ',') {
 396     getNextToken();
 397     Step = ParseExpression();
 398     if (Step == 0)
 399       return 0;
 400   }
 401
 402   if (CurTok != tok_in)
 403     return Error("expected 'in' after for");
 404   getNextToken(); // eat 'in'.
 405
 406   ExprAST *Body = ParseExpression();
 407   if (Body == 0)
 408     return 0;
 409
 410   return new ForExprAST(IdName, Start, End, Step, Body);
 411 }
 412
 413 /// primary
 414 ///   ::= identifierexpr
 415 ///   ::= numberexpr
 416 ///   ::= parenexpr
 417 ///   ::= ifexpr
 418 ///   ::= forexpr
 419 static ExprAST *ParsePrimary() {
 420   switch (CurTok) {
 421   default:
 422     return Error("unknown token when expecting an expression");
 423   case tok_identifier:
 424     return ParseIdentifierExpr();
 425   case tok_number:
 426     return ParseNumberExpr();
 427   case '(':
 428     return ParseParenExpr();
 429   case tok_if:
 430     return ParseIfExpr();
 431   case tok_for:
 432     return ParseForExpr();
 433   }
 434 }
 435
 436 /// unary
 437 ///   ::= primary
 438 ///   ::= '!' unary
 439 static ExprAST *ParseUnary() {
 440   // If the current token is not an operator, it must be a primary expr.
 441   if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',')
 442     return ParsePrimary();
 443
 444   // If this is a unary operator, read it.
 445   int Opc = CurTok;
 446   getNextToken();
 447   if (ExprAST *Operand = ParseUnary())
 448     return new UnaryExprAST(Opc, Operand);
 449   return 0;
 450 }
 451
 452 /// binoprhs
 453 ///   ::= ('+' unary)*
 454 static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
 455   // If this is a binop, find its precedence.
 456   while (1) {
 457     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 458
 459     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 460     // consume it, otherwise we are done.
 461     if (TokPrec < ExprPrec)
 462       return LHS;
 463
 464     // Okay, we know this is a binop.
 465     int BinOp = CurTok;
 466     getNextToken(); // eat binop
 467
 468     // Parse the unary expression after the binary operator.
 469     ExprAST *RHS = ParseUnary();
 470     if (!RHS)
 471       return 0;
 472
 473     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 474     // the pending operator take RHS as its LHS.
 475     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 476     if (TokPrec < NextPrec) {
 477       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec + 1, RHS);
 478       if (RHS == 0)
 479         return 0;
 480     }
 481
 482     // Merge LHS/RHS.
 483     LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
 484   }
 485 }
 486
 487 /// expression
 488 ///   ::= unary binoprhs
 489 ///
 490 static ExprAST *ParseExpression() {
 491   ExprAST *LHS = ParseUnary();
 492   if (!LHS)
 493     return 0;
 494
 495   return ParseBinOpRHS(0, LHS);
 496 }
 497
 498 /// prototype
 499 ///   ::= id '(' id* ')'
 500 ///   ::= binary LETTER number? (id, id)
 501 ///   ::= unary LETTER (id)
 502 static PrototypeAST *ParsePrototype() {
 503   std::string FnName;
 504
 505   unsigned Kind = 0; // 0 = identifier, 1 = unary, 2 = binary.
 506   unsigned BinaryPrecedence = 30;
 507
 508   switch (CurTok) {
 509   default:
 510     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 511   case tok_identifier:
 512     FnName = IdentifierStr;
 513     Kind = 0;
 514     getNextToken();
 515     break;
 516   case tok_unary:
 517     getNextToken();
 518     if (!isascii(CurTok))
 519       return ErrorP("Expected unary operator");
 520     FnName = "unary";
 521     FnName += (char)CurTok;
 522     Kind = 1;
 523     getNextToken();
 524     break;
 525   case tok_binary:
 526     getNextToken();
 527     if (!isascii(CurTok))
 528       return ErrorP("Expected binary operator");
 529     FnName = "binary";
 530     FnName += (char)CurTok;
 531     Kind = 2;
 532     getNextToken();
 533
 534     // Read the precedence if present.
 535     if (CurTok == tok_number) {
 536       if (NumVal < 1 || NumVal > 100)
 537         return ErrorP("Invalid precedecnce: must be 1..100");
 538       BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal;
 539       getNextToken();
 540     }
 541     break;
 542   }
 543
 544   if (CurTok != '(')
 545     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 546
 547   std::vector<std::string> ArgNames;
 548   while (getNextToken() == tok_identifier)
 549     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 550   if (CurTok != ')')
 551     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 552
 553   // success.
 554   getNextToken(); // eat ')'.
 555
 556   // Verify right number of names for operator.
 557   if (Kind && ArgNames.size() != Kind)
 558     return ErrorP("Invalid number of operands for operator");
 559
 560   return new PrototypeAST(FnName, ArgNames, Kind != 0, BinaryPrecedence);
 561 }
 562
 563 /// definition ::= 'def' prototype expression
 564 static FunctionAST *ParseDefinition() {
 565   getNextToken(); // eat def.
 566   PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
 567   if (Proto == 0)
 568     return 0;
 569
 570   if (ExprAST *E = ParseExpression())
 571     return new FunctionAST(Proto, E);
 572   return 0;
 573 }
 574
 575 /// toplevelexpr ::= expression
 576 static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
 577   if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
 578     // Make an anonymous proto.
 579     PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
 580     return new FunctionAST(Proto, E);
 581   }
 582   return 0;
 583 }
 584
 585 /// external ::= 'extern' prototype
 586 static PrototypeAST *ParseExtern() {
 587   getNextToken(); // eat extern.
 588   return ParsePrototype();
 589 }
 590
 591 //===----------------------------------------------------------------------===//
 592 // Code Generation
 593 //===----------------------------------------------------------------------===//
 594
 595 static Module *TheModule;
 596 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 597 static std::map<std::string, Value *> NamedValues;
 598 static legacy::FunctionPassManager *TheFPM;
 599
 600 Value *ErrorV(const char *Str) {
 601   Error(Str);
 602   return 0;
 603 }
 604
 605 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 606   return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
 607 }
 608
 609 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 610   // Look this variable up in the function.
 611   Value *V = NamedValues[Name];
 612   return V ? V : ErrorV("Unknown variable name");
 613 }
 614
 615 Value *UnaryExprAST::Codegen() {
 616   Value *OperandV = Operand->Codegen();
 617   if (OperandV == 0)
 618     return 0;
 619
 620   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("unary") + Opcode);
 621   if (F == 0)
 622     return ErrorV("Unknown unary operator");
 623
 624   return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop");
 625 }
 626
 627 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 628   Value *L = LHS->Codegen();
 629   Value *R = RHS->Codegen();
 630   if (L == 0 || R == 0)
 631     return 0;
 632
 633   switch (Op) {
 634   case '+':
 635     return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 636   case '-':
 637     return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 638   case '*':
 639     return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 640   case '<':
 641     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 642     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 643     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 644                                 "booltmp");
 645   default:
 646     break;
 647   }
 648
 649   // If it wasn't a builtin binary operator, it must be a user defined one. Emit
 650   // a call to it.
 651   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("binary") + Op);
 652   assert(F && "binary operator not found!");
 653
 654   Value *Ops[] = { L, R };
 655   return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop");
 656 }
 657
 658 Value *CallExprAST::Codegen() {
 659   // Look up the name in the global module table.
 660   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 661   if (CalleeF == 0)
 662     return ErrorV("Unknown function referenced");
 663
 664   // If argument mismatch error.
 665   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 666     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 667
 668   std::vector<Value *> ArgsV;
 669   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 670     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 671     if (ArgsV.back() == 0)
 672       return 0;
 673   }
 674
 675   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 676 }
 677
 678 Value *IfExprAST::Codegen() {
 679   Value *CondV = Cond->Codegen();
 680   if (CondV == 0)
 681     return 0;
 682
 683   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 684   CondV = Builder.CreateFCmpONE(
 685       CondV, ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)), "ifcond");
 686
 687   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 688
 689   // Create blocks for the then and else cases.  Insert the 'then' block at the
 690   // end of the function.
 691   BasicBlock *ThenBB =
 692       BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "then", TheFunction);
 693   BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "else");
 694   BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "ifcont");
 695
 696   Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB);
 697
 698   // Emit then value.
 699   Builder.SetInsertPoint(ThenBB);
 700
 701   Value *ThenV = Then->Codegen();
 702   if (ThenV == 0)
 703     return 0;
 704
 705   Builder.CreateBr(MergeBB);
 706   // Codegen of 'Then' can change the current block, update ThenBB for the PHI.
 707   ThenBB = Builder.GetInsertBlock();
 708
 709   // Emit else block.
 710   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB);
 711   Builder.SetInsertPoint(ElseBB);
 712
 713   Value *ElseV = Else->Codegen();
 714   if (ElseV == 0)
 715     return 0;
 716
 717   Builder.CreateBr(MergeBB);
 718   // Codegen of 'Else' can change the current block, update ElseBB for the PHI.
 719   ElseBB = Builder.GetInsertBlock();
 720
 721   // Emit merge block.
 722   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB);
 723   Builder.SetInsertPoint(MergeBB);
 724   PHINode *PN =
 725       Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 2, "iftmp");
 726
 727   PN->addIncoming(ThenV, ThenBB);
 728   PN->addIncoming(ElseV, ElseBB);
 729   return PN;
 730 }
 731
 732 Value *ForExprAST::Codegen() {
 733   // Output this as:
 734   //   ...
 735   //   start = startexpr
 736   //   goto loop
 737   // loop:
 738   //   variable = phi [start, loopheader], [nextvariable, loopend]
 739   //   ...
 740   //   bodyexpr
 741   //   ...
 742   // loopend:
 743   //   step = stepexpr
 744   //   nextvariable = variable + step
 745   //   endcond = endexpr
 746   //   br endcond, loop, endloop
 747   // outloop:
 748
 749   // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
 750   Value *StartVal = Start->Codegen();
 751   if (StartVal == 0)
 752     return 0;
 753
 754   // Make the new basic block for the loop header, inserting after current
 755   // block.
 756   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 757   BasicBlock *PreheaderBB = Builder.GetInsertBlock();
 758   BasicBlock *LoopBB =
 759       BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "loop", TheFunction);
 760
 761   // Insert an explicit fall through from the current block to the LoopBB.
 762   Builder.CreateBr(LoopBB);
 763
 764   // Start insertion in LoopBB.
 765   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
 766
 767   // Start the PHI node with an entry for Start.
 768   PHINode *Variable = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 769                                         2, VarName.c_str());
 770   Variable->addIncoming(StartVal, PreheaderBB);
 771
 772   // Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node.  If it
 773   // shadows an existing variable, we have to restore it, so save it now.
 774   Value *OldVal = NamedValues[VarName];
 775   NamedValues[VarName] = Variable;
 776
 777   // Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
 778   // current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but don't
 779   // allow an error.
 780   if (Body->Codegen() == 0)
 781     return 0;
 782
 783   // Emit the step value.
 784   Value *StepVal;
 785   if (Step) {
 786     StepVal = Step->Codegen();
 787     if (StepVal == 0)
 788       return 0;
 789   } else {
 790     // If not specified, use 1.0.
 791     StepVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(1.0));
 792   }
 793
 794   Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(Variable, StepVal, "nextvar");
 795
 796   // Compute the end condition.
 797   Value *EndCond = End->Codegen();
 798   if (EndCond == 0)
 799     return EndCond;
 800
 801   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 802   EndCond = Builder.CreateFCmpONE(
 803       EndCond, ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)), "loopcond");
 804
 805   // Create the "after loop" block and insert it.
 806   BasicBlock *LoopEndBB = Builder.GetInsertBlock();
 807   BasicBlock *AfterBB =
 808       BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "afterloop", TheFunction);
 809
 810   // Insert the conditional branch into the end of LoopEndBB.
 811   Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);
 812
 813   // Any new code will be inserted in AfterBB.
 814   Builder.SetInsertPoint(AfterBB);
 815
 816   // Add a new entry to the PHI node for the backedge.
 817   Variable->addIncoming(NextVar, LoopEndBB);
 818
 819   // Restore the unshadowed variable.
 820   if (OldVal)
 821     NamedValues[VarName] = OldVal;
 822   else
 823     NamedValues.erase(VarName);
 824
 825   // for expr always returns 0.0.
 826   return Constant::getNullValue(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 827 }
 828
 829 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 830   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 831   std::vector<Type *> Doubles(Args.size(),
 832                               Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 833   FunctionType *FT =
 834       FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), Doubles, false);
 835
 836   Function *F =
 837       Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 838
 839   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 840   // body, don't allow redefinition or reextern.
 841   if (F->getName() != Name) {
 842     // Delete the one we just made and get the existing one.
 843     F->eraseFromParent();
 844     F = TheModule->getFunction(Name);
 845
 846     // If F already has a body, reject this.
 847     if (!F->empty()) {
 848       ErrorF("redefinition of function");
 849       return 0;
 850     }
 851
 852     // If F took a different number of args, reject.
 853     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 854       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 855       return 0;
 856     }
 857   }
 858
 859   // Set names for all arguments.
 860   unsigned Idx = 0;
 861   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 862        ++AI, ++Idx) {
 863     AI->setName(Args[Idx]);
 864
 865     // Add arguments to variable symbol table.
 866     NamedValues[Args[Idx]] = AI;
 867   }
 868
 869   return F;
 870 }
 871
 872 Function *FunctionAST::Codegen() {
 873   NamedValues.clear();
 874
 875   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 876   if (TheFunction == 0)
 877     return 0;
 878
 879   // If this is an operator, install it.
 880   if (Proto->isBinaryOp())
 881     BinopPrecedence[Proto->getOperatorName()] = Proto->getBinaryPrecedence();
 882
 883   // Create a new basic block to start insertion into.
 884   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 885   Builder.SetInsertPoint(BB);
 886
 887   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 888     // Finish off the function.
 889     Builder.CreateRet(RetVal);
 890
 891     // Validate the generated code, checking for consistency.
 892     verifyFunction(*TheFunction);
 893
 894     // Optimize the function.
 895     TheFPM->run(*TheFunction);
 896
 897     return TheFunction;
 898   }
 899
 900   // Error reading body, remove function.
 901   TheFunction->eraseFromParent();
 902
 903   if (Proto->isBinaryOp())
 904     BinopPrecedence.erase(Proto->getOperatorName());
 905   return 0;
 906 }
 907
 908 //===----------------------------------------------------------------------===//
 909 // Top-Level parsing and JIT Driver
 910 //===----------------------------------------------------------------------===//
 911
 912 static ExecutionEngine *TheExecutionEngine;
 913
 914 static void HandleDefinition() {
 915   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
 916     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 917       fprintf(stderr, "Read function definition:");
 918       LF->dump();
 919     }
 920   } else {
 921     // Skip token for error recovery.
 922     getNextToken();
 923   }
 924 }
 925
 926 static void HandleExtern() {
 927   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
 928     if (Function *F = P->Codegen()) {
 929       fprintf(stderr, "Read extern: ");
 930       F->dump();
 931     }
 932   } else {
 933     // Skip token for error recovery.
 934     getNextToken();
 935   }
 936 }
 937
 938 static void HandleTopLevelExpression() {
 939   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
 940   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
 941     if (Function *LF = F->Codegen()) {
 942       TheExecutionEngine->finalizeObject();
 943       // JIT the function, returning a function pointer.
 944       void *FPtr = TheExecutionEngine->getPointerToFunction(LF);
 945
 946       // Cast it to the right type (takes no arguments, returns a double) so we
 947       // can call it as a native function.
 948       double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)FPtr;
 949       fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP());
 950     }
 951   } else {
 952     // Skip token for error recovery.
 953     getNextToken();
 954   }
 955 }
 956
 957 /// top ::= definition | external | expression | ';'
 958 static void MainLoop() {
 959   while (1) {
 960     fprintf(stderr, "ready> ");
 961     switch (CurTok) {
 962     case tok_eof:
 963       return;
 964     case ';':
 965       getNextToken();
 966       break; // ignore top-level semicolons.
 967     case tok_def:
 968       HandleDefinition();
 969       break;
 970     case tok_extern:
 971       HandleExtern();
 972       break;
 973     default:
 974       HandleTopLevelExpression();
 975       break;
 976     }
 977   }
 978 }
 979
 980 //===----------------------------------------------------------------------===//
 981 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
 982 //===----------------------------------------------------------------------===//
 983
 984 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
 985 extern "C" double putchard(double X) {
 986   putchar((char)X);
 987   return 0;
 988 }
 989
 990 /// printd - printf that takes a double prints it as "%f\n", returning 0.
 991 extern "C" double printd(double X) {
 992   printf("%f\n", X);
 993   return 0;
 994 }
 995
 996 //===----------------------------------------------------------------------===//
 997 // Main driver code.
 998 //===----------------------------------------------------------------------===//
 999
1000 int main() {
1001   InitializeNativeTarget();
1002   InitializeNativeTargetAsmPrinter();
1003   InitializeNativeTargetAsmParser();
1004   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
1005
1006   // Install standard binary operators.
1007   // 1 is lowest precedence.
1008   BinopPrecedence['<'] = 10;
1009   BinopPrecedence['+'] = 20;
1010   BinopPrecedence['-'] = 20;
1011   BinopPrecedence['*'] = 40; // highest.
1012
1013   // Prime the first token.
1014   fprintf(stderr, "ready> ");
1015   getNextToken();
1016
1017   // Make the module, which holds all the code.
1018   std::unique_ptr<Module> Owner = make_unique<Module>("my cool jit", Context);
1019   TheModule = Owner.get();
1020
1021   // Create the JIT.  This takes ownership of the module.
1022   std::string ErrStr;
1023   TheExecutionEngine =
1024       EngineBuilder(std::move(Owner))
1025           .setErrorStr(&ErrStr)
1026           .setMCJITMemoryManager(llvm::make_unique<SectionMemoryManager>())
1027           .create();
1028   if (!TheExecutionEngine) {
1029     fprintf(stderr, "Could not create ExecutionEngine: %s\n", ErrStr.c_str());
1030     exit(1);
1031   }
1032
1033   legacy::FunctionPassManager OurFPM(TheModule);
1034
1035   // Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
1036   // target lays out data structures.
1037   TheModule->setDataLayout(TheExecutionEngine->getDataLayout());
1038   // Provide basic AliasAnalysis support for GVN.
1039   OurFPM.add(createBasicAliasAnalysisPass());
1040   // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
1041   OurFPM.add(createInstructionCombiningPass());
1042   // Reassociate expressions.
1043   OurFPM.add(createReassociatePass());
1044   // Eliminate Common SubExpressions.
1045   OurFPM.add(createGVNPass());
1046   // Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc).
1047   OurFPM.add(createCFGSimplificationPass());
1048
1049   OurFPM.doInitialization();
1050
1051   // Set the global so the code gen can use this.
1052   TheFPM = &OurFPM;
1053
1054   // Run the main "interpreter loop" now.
1055   MainLoop();
1056
1057   TheFPM = 0;
1058
1059   // Print out all of the generated code.
1060   TheModule->dump();
1061
1062   return 0;
1063 }