examples/Kaleidoscope/Chapter7/toy.cpp

   1 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
   2 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
   3 #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
   4 #include "llvm/ExecutionEngine/JIT.h"
   5 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
   6 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   7 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
   8 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
   9 #include "llvm/IR/Module.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   // var definition
  43   tok_var = -13
  44 };
  45
  46 static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
  47 static double NumVal;              // Filled in if tok_number
  48
  49 /// gettok - Return the next token from standard input.
  50 static int gettok() {
  51   static int LastChar = ' ';
  52
  53   // Skip any whitespace.
  54   while (isspace(LastChar))
  55     LastChar = getchar();
  56
  57   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  58     IdentifierStr = LastChar;
  59     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  60       IdentifierStr += LastChar;
  61
  62     if (IdentifierStr == "def") return tok_def;
  63     if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern;
  64     if (IdentifierStr == "if") return tok_if;
  65     if (IdentifierStr == "then") return tok_then;
  66     if (IdentifierStr == "else") return tok_else;
  67     if (IdentifierStr == "for") return tok_for;
  68     if (IdentifierStr == "in") return tok_in;
  69     if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary;
  70     if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary;
  71     if (IdentifierStr == "var") return tok_var;
  72     return tok_identifier;
  73   }
  74
  75   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
  76     std::string NumStr;
  77     do {
  78       NumStr += LastChar;
  79       LastChar = getchar();
  80     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  81
  82     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  83     return tok_number;
  84   }
  85
  86   if (LastChar == '#') {
  87     // Comment until end of line.
  88     do LastChar = getchar();
  89     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  90
  91     if (LastChar != EOF)
  92       return gettok();
  93   }
  94
  95   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  96   if (LastChar == EOF)
  97     return tok_eof;
  98
  99   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
 100   int ThisChar = LastChar;
 101   LastChar = getchar();
 102   return ThisChar;
 103 }
 104
 105 //===----------------------------------------------------------------------===//
 106 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 107 //===----------------------------------------------------------------------===//
 108
 109 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
 110 class ExprAST {
 111 public:
 112   virtual ~ExprAST();
 113   virtual Value *Codegen() = 0;
 114 };
 115
 116 // Provide out-of-line definition to prevent weak vtable.
 117 ExprAST::~ExprAST() {}
 118
 119 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
 120 class NumberExprAST : public ExprAST {
 121   double Val;
 122 public:
 123   NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
 124   virtual Value *Codegen();
 125 };
 126
 127 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 128 class VariableExprAST : public ExprAST {
 129   std::string Name;
 130 public:
 131   VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
 132   const std::string &getName() const { return Name; }
 133   virtual Value *Codegen();
 134 };
 135
 136 /// UnaryExprAST - Expression class for a unary operator.
 137 class UnaryExprAST : public ExprAST {
 138   char Opcode;
 139   ExprAST *Operand;
 140 public:
 141   UnaryExprAST(char opcode, ExprAST *operand)
 142     : Opcode(opcode), Operand(operand) {}
 143   virtual Value *Codegen();
 144 };
 145
 146 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 147 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 148   char Op;
 149   ExprAST *LHS, *RHS;
 150 public:
 151   BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
 152     : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
 153   virtual Value *Codegen();
 154 };
 155
 156 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 157 class CallExprAST : public ExprAST {
 158   std::string Callee;
 159   std::vector<ExprAST*> Args;
 160 public:
 161   CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
 162     : Callee(callee), Args(args) {}
 163   virtual Value *Codegen();
 164 };
 165
 166 /// IfExprAST - Expression class for if/then/else.
 167 class IfExprAST : public ExprAST {
 168   ExprAST *Cond, *Then, *Else;
 169 public:
 170   IfExprAST(ExprAST *cond, ExprAST *then, ExprAST *_else)
 171   : Cond(cond), Then(then), Else(_else) {}
 172   virtual Value *Codegen();
 173 };
 174
 175 /// ForExprAST - Expression class for for/in.
 176 class ForExprAST : public ExprAST {
 177   std::string VarName;
 178   ExprAST *Start, *End, *Step, *Body;
 179 public:
 180   ForExprAST(const std::string &varname, ExprAST *start, ExprAST *end,
 181              ExprAST *step, ExprAST *body)
 182     : VarName(varname), Start(start), End(end), Step(step), Body(body) {}
 183   virtual Value *Codegen();
 184 };
 185
 186 /// VarExprAST - Expression class for var/in
 187 class VarExprAST : public ExprAST {
 188   std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > VarNames;
 189   ExprAST *Body;
 190 public:
 191   VarExprAST(const std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > &varnames,
 192              ExprAST *body)
 193   : VarNames(varnames), Body(body) {}
 194
 195   virtual Value *Codegen();
 196 };
 197
 198 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 199 /// which captures its argument names as well as if it is an operator.
 200 class PrototypeAST {
 201   std::string Name;
 202   std::vector<std::string> Args;
 203   bool isOperator;
 204   unsigned Precedence;  // Precedence if a binary op.
 205 public:
 206   PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args,
 207                bool isoperator = false, unsigned prec = 0)
 208   : Name(name), Args(args), isOperator(isoperator), Precedence(prec) {}
 209
 210   bool isUnaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 1; }
 211   bool isBinaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 2; }
 212
 213   char getOperatorName() const {
 214     assert(isUnaryOp() || isBinaryOp());
 215     return Name[Name.size()-1];
 216   }
 217
 218   unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; }
 219
 220   Function *Codegen();
 221
 222   void CreateArgumentAllocas(Function *F);
 223 };
 224
 225 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 226 class FunctionAST {
 227   PrototypeAST *Proto;
 228   ExprAST *Body;
 229 public:
 230   FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body)
 231     : Proto(proto), Body(body) {}
 232
 233   Function *Codegen();
 234 };
 235
 236 //===----------------------------------------------------------------------===//
 237 // Parser
 238 //===----------------------------------------------------------------------===//
 239
 240 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 241 /// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
 242 /// lexer and updates CurTok with its results.
 243 static int CurTok;
 244 static int getNextToken() {
 245   return CurTok = gettok();
 246 }
 247
 248 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 249 /// defined.
 250 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 251
 252 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 253 static int GetTokPrecedence() {
 254   if (!isascii(CurTok))
 255     return -1;
 256
 257   // Make sure it's a declared binop.
 258   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 259   if (TokPrec <= 0) return -1;
 260   return TokPrec;
 261 }
 262
 263 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 264 ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
 265 PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 266 FunctionAST *ErrorF(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 267
 268 static ExprAST *ParseExpression();
 269
 270 /// identifierexpr
 271 ///   ::= identifier
 272 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 273 static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
 274   std::string IdName = IdentifierStr;
 275
 276   getNextToken();  // eat identifier.
 277
 278   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 279     return new VariableExprAST(IdName);
 280
 281   // Call.
 282   getNextToken();  // eat (
 283   std::vector<ExprAST*> Args;
 284   if (CurTok != ')') {
 285     while (1) {
 286       ExprAST *Arg = ParseExpression();
 287       if (!Arg) return 0;
 288       Args.push_back(Arg);
 289
 290       if (CurTok == ')') break;
 291
 292       if (CurTok != ',')
 293         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 294       getNextToken();
 295     }
 296   }
 297
 298   // Eat the ')'.
 299   getNextToken();
 300
 301   return new CallExprAST(IdName, Args);
 302 }
 303
 304 /// numberexpr ::= number
 305 static ExprAST *ParseNumberExpr() {
 306   ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
 307   getNextToken(); // consume the number
 308   return Result;
 309 }
 310
 311 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 312 static ExprAST *ParseParenExpr() {
 313   getNextToken();  // eat (.
 314   ExprAST *V = ParseExpression();
 315   if (!V) return 0;
 316
 317   if (CurTok != ')')
 318     return Error("expected ')'");
 319   getNextToken();  // eat ).
 320   return V;
 321 }
 322
 323 /// ifexpr ::= 'if' expression 'then' expression 'else' expression
 324 static ExprAST *ParseIfExpr() {
 325   getNextToken();  // eat the if.
 326
 327   // condition.
 328   ExprAST *Cond = ParseExpression();
 329   if (!Cond) return 0;
 330
 331   if (CurTok != tok_then)
 332     return Error("expected then");
 333   getNextToken();  // eat the then
 334
 335   ExprAST *Then = ParseExpression();
 336   if (Then == 0) return 0;
 337
 338   if (CurTok != tok_else)
 339     return Error("expected else");
 340
 341   getNextToken();
 342
 343   ExprAST *Else = ParseExpression();
 344   if (!Else) return 0;
 345
 346   return new IfExprAST(Cond, Then, Else);
 347 }
 348
 349 /// forexpr ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression
 350 static ExprAST *ParseForExpr() {
 351   getNextToken();  // eat the for.
 352
 353   if (CurTok != tok_identifier)
 354     return Error("expected identifier after for");
 355
 356   std::string IdName = IdentifierStr;
 357   getNextToken();  // eat identifier.
 358
 359   if (CurTok != '=')
 360     return Error("expected '=' after for");
 361   getNextToken();  // eat '='.
 362
 363
 364   ExprAST *Start = ParseExpression();
 365   if (Start == 0) return 0;
 366   if (CurTok != ',')
 367     return Error("expected ',' after for start value");
 368   getNextToken();
 369
 370   ExprAST *End = ParseExpression();
 371   if (End == 0) return 0;
 372
 373   // The step value is optional.
 374   ExprAST *Step = 0;
 375   if (CurTok == ',') {
 376     getNextToken();
 377     Step = ParseExpression();
 378     if (Step == 0) return 0;
 379   }
 380
 381   if (CurTok != tok_in)
 382     return Error("expected 'in' after for");
 383   getNextToken();  // eat 'in'.
 384
 385   ExprAST *Body = ParseExpression();
 386   if (Body == 0) return 0;
 387
 388   return new ForExprAST(IdName, Start, End, Step, Body);
 389 }
 390
 391 /// varexpr ::= 'var' identifier ('=' expression)?
 392 //                    (',' identifier ('=' expression)?)* 'in' expression
 393 static ExprAST *ParseVarExpr() {
 394   getNextToken();  // eat the var.
 395
 396   std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > VarNames;
 397
 398   // At least one variable name is required.
 399   if (CurTok != tok_identifier)
 400     return Error("expected identifier after var");
 401
 402   while (1) {
 403     std::string Name = IdentifierStr;
 404     getNextToken();  // eat identifier.
 405
 406     // Read the optional initializer.
 407     ExprAST *Init = 0;
 408     if (CurTok == '=') {
 409       getNextToken(); // eat the '='.
 410
 411       Init = ParseExpression();
 412       if (Init == 0) return 0;
 413     }
 414
 415     VarNames.push_back(std::make_pair(Name, Init));
 416
 417     // End of var list, exit loop.
 418     if (CurTok != ',') break;
 419     getNextToken(); // eat the ','.
 420
 421     if (CurTok != tok_identifier)
 422       return Error("expected identifier list after var");
 423   }
 424
 425   // At this point, we have to have 'in'.
 426   if (CurTok != tok_in)
 427     return Error("expected 'in' keyword after 'var'");
 428   getNextToken();  // eat 'in'.
 429
 430   ExprAST *Body = ParseExpression();
 431   if (Body == 0) return 0;
 432
 433   return new VarExprAST(VarNames, Body);
 434 }
 435
 436 /// primary
 437 ///   ::= identifierexpr
 438 ///   ::= numberexpr
 439 ///   ::= parenexpr
 440 ///   ::= ifexpr
 441 ///   ::= forexpr
 442 ///   ::= varexpr
 443 static ExprAST *ParsePrimary() {
 444   switch (CurTok) {
 445   default: return Error("unknown token when expecting an expression");
 446   case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
 447   case tok_number:     return ParseNumberExpr();
 448   case '(':            return ParseParenExpr();
 449   case tok_if:         return ParseIfExpr();
 450   case tok_for:        return ParseForExpr();
 451   case tok_var:        return ParseVarExpr();
 452   }
 453 }
 454
 455 /// unary
 456 ///   ::= primary
 457 ///   ::= '!' unary
 458 static ExprAST *ParseUnary() {
 459   // If the current token is not an operator, it must be a primary expr.
 460   if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',')
 461     return ParsePrimary();
 462
 463   // If this is a unary operator, read it.
 464   int Opc = CurTok;
 465   getNextToken();
 466   if (ExprAST *Operand = ParseUnary())
 467     return new UnaryExprAST(Opc, Operand);
 468   return 0;
 469 }
 470
 471 /// binoprhs
 472 ///   ::= ('+' unary)*
 473 static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
 474   // If this is a binop, find its precedence.
 475   while (1) {
 476     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 477
 478     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 479     // consume it, otherwise we are done.
 480     if (TokPrec < ExprPrec)
 481       return LHS;
 482
 483     // Okay, we know this is a binop.
 484     int BinOp = CurTok;
 485     getNextToken();  // eat binop
 486
 487     // Parse the unary expression after the binary operator.
 488     ExprAST *RHS = ParseUnary();
 489     if (!RHS) return 0;
 490
 491     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 492     // the pending operator take RHS as its LHS.
 493     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 494     if (TokPrec < NextPrec) {
 495       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
 496       if (RHS == 0) return 0;
 497     }
 498
 499     // Merge LHS/RHS.
 500     LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
 501   }
 502 }
 503
 504 /// expression
 505 ///   ::= unary binoprhs
 506 ///
 507 static ExprAST *ParseExpression() {
 508   ExprAST *LHS = ParseUnary();
 509   if (!LHS) return 0;
 510
 511   return ParseBinOpRHS(0, LHS);
 512 }
 513
 514 /// prototype
 515 ///   ::= id '(' id* ')'
 516 ///   ::= binary LETTER number? (id, id)
 517 ///   ::= unary LETTER (id)
 518 static PrototypeAST *ParsePrototype() {
 519   std::string FnName;
 520
 521   unsigned Kind = 0; // 0 = identifier, 1 = unary, 2 = binary.
 522   unsigned BinaryPrecedence = 30;
 523
 524   switch (CurTok) {
 525   default:
 526     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 527   case tok_identifier:
 528     FnName = IdentifierStr;
 529     Kind = 0;
 530     getNextToken();
 531     break;
 532   case tok_unary:
 533     getNextToken();
 534     if (!isascii(CurTok))
 535       return ErrorP("Expected unary operator");
 536     FnName = "unary";
 537     FnName += (char)CurTok;
 538     Kind = 1;
 539     getNextToken();
 540     break;
 541   case tok_binary:
 542     getNextToken();
 543     if (!isascii(CurTok))
 544       return ErrorP("Expected binary operator");
 545     FnName = "binary";
 546     FnName += (char)CurTok;
 547     Kind = 2;
 548     getNextToken();
 549
 550     // Read the precedence if present.
 551     if (CurTok == tok_number) {
 552       if (NumVal < 1 || NumVal > 100)
 553         return ErrorP("Invalid precedecnce: must be 1..100");
 554       BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal;
 555       getNextToken();
 556     }
 557     break;
 558   }
 559
 560   if (CurTok != '(')
 561     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 562
 563   std::vector<std::string> ArgNames;
 564   while (getNextToken() == tok_identifier)
 565     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 566   if (CurTok != ')')
 567     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 568
 569   // success.
 570   getNextToken();  // eat ')'.
 571
 572   // Verify right number of names for operator.
 573   if (Kind && ArgNames.size() != Kind)
 574     return ErrorP("Invalid number of operands for operator");
 575
 576   return new PrototypeAST(FnName, ArgNames, Kind != 0, BinaryPrecedence);
 577 }
 578
 579 /// definition ::= 'def' prototype expression
 580 static FunctionAST *ParseDefinition() {
 581   getNextToken();  // eat def.
 582   PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
 583   if (Proto == 0) return 0;
 584
 585   if (ExprAST *E = ParseExpression())
 586     return new FunctionAST(Proto, E);
 587   return 0;
 588 }
 589
 590 /// toplevelexpr ::= expression
 591 static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
 592   if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
 593     // Make an anonymous proto.
 594     PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
 595     return new FunctionAST(Proto, E);
 596   }
 597   return 0;
 598 }
 599
 600 /// external ::= 'extern' prototype
 601 static PrototypeAST *ParseExtern() {
 602   getNextToken();  // eat extern.
 603   return ParsePrototype();
 604 }
 605
 606 //===----------------------------------------------------------------------===//
 607 // Code Generation
 608 //===----------------------------------------------------------------------===//
 609
 610 static Module *TheModule;
 611 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 612 static std::map<std::string, AllocaInst*> NamedValues;
 613 static FunctionPassManager *TheFPM;
 614
 615 Value *ErrorV(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 616
 617 /// CreateEntryBlockAlloca - Create an alloca instruction in the entry block of
 618 /// the function.  This is used for mutable variables etc.
 619 static AllocaInst *CreateEntryBlockAlloca(Function *TheFunction,
 620                                           const std::string &VarName) {
 621   IRBuilder<> TmpB(&TheFunction->getEntryBlock(),
 622                  TheFunction->getEntryBlock().begin());
 623   return TmpB.CreateAlloca(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 0,
 624                            VarName.c_str());
 625 }
 626
 627 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 628   return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
 629 }
 630
 631 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 632   // Look this variable up in the function.
 633   Value *V = NamedValues[Name];
 634   if (V == 0) return ErrorV("Unknown variable name");
 635
 636   // Load the value.
 637   return Builder.CreateLoad(V, Name.c_str());
 638 }
 639
 640 Value *UnaryExprAST::Codegen() {
 641   Value *OperandV = Operand->Codegen();
 642   if (OperandV == 0) return 0;
 643
 644   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("unary")+Opcode);
 645   if (F == 0)
 646     return ErrorV("Unknown unary operator");
 647
 648   return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop");
 649 }
 650
 651 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 652   // Special case '=' because we don't want to emit the LHS as an expression.
 653   if (Op == '=') {
 654     // Assignment requires the LHS to be an identifier.
 655     VariableExprAST *LHSE = dynamic_cast<VariableExprAST*>(LHS);
 656     if (!LHSE)
 657       return ErrorV("destination of '=' must be a variable");
 658     // Codegen the RHS.
 659     Value *Val = RHS->Codegen();
 660     if (Val == 0) return 0;
 661
 662     // Look up the name.
 663     Value *Variable = NamedValues[LHSE->getName()];
 664     if (Variable == 0) return ErrorV("Unknown variable name");
 665
 666     Builder.CreateStore(Val, Variable);
 667     return Val;
 668   }
 669
 670   Value *L = LHS->Codegen();
 671   Value *R = RHS->Codegen();
 672   if (L == 0 || R == 0) return 0;
 673
 674   switch (Op) {
 675   case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 676   case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 677   case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 678   case '<':
 679     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 680     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 681     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 682                                 "booltmp");
 683   default: break;
 684   }
 685
 686   // If it wasn't a builtin binary operator, it must be a user defined one. Emit
 687   // a call to it.
 688   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("binary")+Op);
 689   assert(F && "binary operator not found!");
 690
 691   Value *Ops[] = { L, R };
 692   return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop");
 693 }
 694
 695 Value *CallExprAST::Codegen() {
 696   // Look up the name in the global module table.
 697   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 698   if (CalleeF == 0)
 699     return ErrorV("Unknown function referenced");
 700
 701   // If argument mismatch error.
 702   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 703     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 704
 705   std::vector<Value*> ArgsV;
 706   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 707     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 708     if (ArgsV.back() == 0) return 0;
 709   }
 710
 711   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 712 }
 713
 714 Value *IfExprAST::Codegen() {
 715   Value *CondV = Cond->Codegen();
 716   if (CondV == 0) return 0;
 717
 718   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 719   CondV = Builder.CreateFCmpONE(CondV,
 720                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 721                                 "ifcond");
 722
 723   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 724
 725   // Create blocks for the then and else cases.  Insert the 'then' block at the
 726   // end of the function.
 727   BasicBlock *ThenBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "then", TheFunction);
 728   BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "else");
 729   BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "ifcont");
 730
 731   Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB);
 732
 733   // Emit then value.
 734   Builder.SetInsertPoint(ThenBB);
 735
 736   Value *ThenV = Then->Codegen();
 737   if (ThenV == 0) return 0;
 738
 739   Builder.CreateBr(MergeBB);
 740   // Codegen of 'Then' can change the current block, update ThenBB for the PHI.
 741   ThenBB = Builder.GetInsertBlock();
 742
 743   // Emit else block.
 744   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB);
 745   Builder.SetInsertPoint(ElseBB);
 746
 747   Value *ElseV = Else->Codegen();
 748   if (ElseV == 0) return 0;
 749
 750   Builder.CreateBr(MergeBB);
 751   // Codegen of 'Else' can change the current block, update ElseBB for the PHI.
 752   ElseBB = Builder.GetInsertBlock();
 753
 754   // Emit merge block.
 755   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB);
 756   Builder.SetInsertPoint(MergeBB);
 757   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 2,
 758                                   "iftmp");
 759
 760   PN->addIncoming(ThenV, ThenBB);
 761   PN->addIncoming(ElseV, ElseBB);
 762   return PN;
 763 }
 764
 765 Value *ForExprAST::Codegen() {
 766   // Output this as:
 767   //   var = alloca double
 768   //   ...
 769   //   start = startexpr
 770   //   store start -> var
 771   //   goto loop
 772   // loop:
 773   //   ...
 774   //   bodyexpr
 775   //   ...
 776   // loopend:
 777   //   step = stepexpr
 778   //   endcond = endexpr
 779   //
 780   //   curvar = load var
 781   //   nextvar = curvar + step
 782   //   store nextvar -> var
 783   //   br endcond, loop, endloop
 784   // outloop:
 785
 786   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 787
 788   // Create an alloca for the variable in the entry block.
 789   AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 790
 791   // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
 792   Value *StartVal = Start->Codegen();
 793   if (StartVal == 0) return 0;
 794
 795   // Store the value into the alloca.
 796   Builder.CreateStore(StartVal, Alloca);
 797
 798   // Make the new basic block for the loop header, inserting after current
 799   // block.
 800   BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "loop", TheFunction);
 801
 802   // Insert an explicit fall through from the current block to the LoopBB.
 803   Builder.CreateBr(LoopBB);
 804
 805   // Start insertion in LoopBB.
 806   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
 807
 808   // Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node.  If it
 809   // shadows an existing variable, we have to restore it, so save it now.
 810   AllocaInst *OldVal = NamedValues[VarName];
 811   NamedValues[VarName] = Alloca;
 812
 813   // Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
 814   // current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but don't
 815   // allow an error.
 816   if (Body->Codegen() == 0)
 817     return 0;
 818
 819   // Emit the step value.
 820   Value *StepVal;
 821   if (Step) {
 822     StepVal = Step->Codegen();
 823     if (StepVal == 0) return 0;
 824   } else {
 825     // If not specified, use 1.0.
 826     StepVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(1.0));
 827   }
 828
 829   // Compute the end condition.
 830   Value *EndCond = End->Codegen();
 831   if (EndCond == 0) return EndCond;
 832
 833   // Reload, increment, and restore the alloca.  This handles the case where
 834   // the body of the loop mutates the variable.
 835   Value *CurVar = Builder.CreateLoad(Alloca, VarName.c_str());
 836   Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(CurVar, StepVal, "nextvar");
 837   Builder.CreateStore(NextVar, Alloca);
 838
 839   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 840   EndCond = Builder.CreateFCmpONE(EndCond,
 841                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 842                                   "loopcond");
 843
 844   // Create the "after loop" block and insert it.
 845   BasicBlock *AfterBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "afterloop", TheFunction);
 846
 847   // Insert the conditional branch into the end of LoopEndBB.
 848   Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);
 849
 850   // Any new code will be inserted in AfterBB.
 851   Builder.SetInsertPoint(AfterBB);
 852
 853   // Restore the unshadowed variable.
 854   if (OldVal)
 855     NamedValues[VarName] = OldVal;
 856   else
 857     NamedValues.erase(VarName);
 858
 859
 860   // for expr always returns 0.0.
 861   return Constant::getNullValue(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 862 }
 863
 864 Value *VarExprAST::Codegen() {
 865   std::vector<AllocaInst *> OldBindings;
 866
 867   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 868
 869   // Register all variables and emit their initializer.
 870   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i) {
 871     const std::string &VarName = VarNames[i].first;
 872     ExprAST *Init = VarNames[i].second;
 873
 874     // Emit the initializer before adding the variable to scope, this prevents
 875     // the initializer from referencing the variable itself, and permits stuff
 876     // like this:
 877     //  var a = 1 in
 878     //    var a = a in ...   # refers to outer 'a'.
 879     Value *InitVal;
 880     if (Init) {
 881       InitVal = Init->Codegen();
 882       if (InitVal == 0) return 0;
 883     } else { // If not specified, use 0.0.
 884       InitVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0));
 885     }
 886
 887     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 888     Builder.CreateStore(InitVal, Alloca);
 889
 890     // Remember the old variable binding so that we can restore the binding when
 891     // we unrecurse.
 892     OldBindings.push_back(NamedValues[VarName]);
 893
 894     // Remember this binding.
 895     NamedValues[VarName] = Alloca;
 896   }
 897
 898   // Codegen the body, now that all vars are in scope.
 899   Value *BodyVal = Body->Codegen();
 900   if (BodyVal == 0) return 0;
 901
 902   // Pop all our variables from scope.
 903   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i)
 904     NamedValues[VarNames[i].first] = OldBindings[i];
 905
 906   // Return the body computation.
 907   return BodyVal;
 908 }
 909
 910 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 911   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 912   std::vector<Type*> Doubles(Args.size(),
 913                              Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 914   FunctionType *FT = FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 915                                        Doubles, false);
 916
 917   Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 918
 919   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 920   // body, don't allow redefinition or reextern.
 921   if (F->getName() != Name) {
 922     // Delete the one we just made and get the existing one.
 923     F->eraseFromParent();
 924     F = TheModule->getFunction(Name);
 925
 926     // If F already has a body, reject this.
 927     if (!F->empty()) {
 928       ErrorF("redefinition of function");
 929       return 0;
 930     }
 931
 932     // If F took a different number of args, reject.
 933     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 934       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 935       return 0;
 936     }
 937   }
 938
 939   // Set names for all arguments.
 940   unsigned Idx = 0;
 941   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 942        ++AI, ++Idx)
 943     AI->setName(Args[Idx]);
 944
 945   return F;
 946 }
 947
 948 /// CreateArgumentAllocas - Create an alloca for each argument and register the
 949 /// argument in the symbol table so that references to it will succeed.
 950 void PrototypeAST::CreateArgumentAllocas(Function *F) {
 951   Function::arg_iterator AI = F->arg_begin();
 952   for (unsigned Idx = 0, e = Args.size(); Idx != e; ++Idx, ++AI) {
 953     // Create an alloca for this variable.
 954     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(F, Args[Idx]);
 955
 956     // Store the initial value into the alloca.
 957     Builder.CreateStore(AI, Alloca);
 958
 959     // Add arguments to variable symbol table.
 960     NamedValues[Args[Idx]] = Alloca;
 961   }
 962 }
 963
 964 Function *FunctionAST::Codegen() {
 965   NamedValues.clear();
 966
 967   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 968   if (TheFunction == 0)
 969     return 0;
 970
 971   // If this is an operator, install it.
 972   if (Proto->isBinaryOp())
 973     BinopPrecedence[Proto->getOperatorName()] = Proto->getBinaryPrecedence();
 974
 975   // Create a new basic block to start insertion into.
 976   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 977   Builder.SetInsertPoint(BB);
 978
 979   // Add all arguments to the symbol table and create their allocas.
 980   Proto->CreateArgumentAllocas(TheFunction);
 981
 982   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 983     // Finish off the function.
 984     Builder.CreateRet(RetVal);
 985
 986     // Validate the generated code, checking for consistency.
 987     verifyFunction(*TheFunction);
 988
 989     // Optimize the function.
 990     TheFPM->run(*TheFunction);
 991
 992     return TheFunction;
 993   }
 994
 995   // Error reading body, remove function.
 996   TheFunction->eraseFromParent();
 997
 998   if (Proto->isBinaryOp())
 999     BinopPrecedence.erase(Proto->getOperatorName());
1000   return 0;
1001 }
1002
1003 //===----------------------------------------------------------------------===//
1004 // Top-Level parsing and JIT Driver
1005 //===----------------------------------------------------------------------===//
1006
1007 static ExecutionEngine *TheExecutionEngine;
1008
1009 static void HandleDefinition() {
1010   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
1011     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1012       fprintf(stderr, "Read function definition:");
1013       LF->dump();
1014     }
1015   } else {
1016     // Skip token for error recovery.
1017     getNextToken();
1018   }
1019 }
1020
1021 static void HandleExtern() {
1022   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
1023     if (Function *F = P->Codegen()) {
1024       fprintf(stderr, "Read extern: ");
1025       F->dump();
1026     }
1027   } else {
1028     // Skip token for error recovery.
1029     getNextToken();
1030   }
1031 }
1032
1033 static void HandleTopLevelExpression() {
1034   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
1035   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
1036     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1037       // JIT the function, returning a function pointer.
1038       void *FPtr = TheExecutionEngine->getPointerToFunction(LF);
1039
1040       // Cast it to the right type (takes no arguments, returns a double) so we
1041       // can call it as a native function.
1042       double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)FPtr;
1043       fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP());
1044     }
1045   } else {
1046     // Skip token for error recovery.
1047     getNextToken();
1048   }
1049 }
1050
1051 /// top ::= definition | external | expression | ';'
1052 static void MainLoop() {
1053   while (1) {
1054     fprintf(stderr, "ready> ");
1055     switch (CurTok) {
1056     case tok_eof:    return;
1057     case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
1058     case tok_def:    HandleDefinition(); break;
1059     case tok_extern: HandleExtern(); break;
1060     default:         HandleTopLevelExpression(); break;
1061     }
1062   }
1063 }
1064
1065 //===----------------------------------------------------------------------===//
1066 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
1067 //===----------------------------------------------------------------------===//
1068
1069 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
1070 extern "C"
1071 double putchard(double X) {
1072   putchar((char)X);
1073   return 0;
1074 }
1075
1076 /// printd - printf that takes a double prints it as "%f\n", returning 0.
1077 extern "C"
1078 double printd(double X) {
1079   printf("%f\n", X);
1080   return 0;
1081 }
1082
1083 //===----------------------------------------------------------------------===//
1084 // Main driver code.
1085 //===----------------------------------------------------------------------===//
1086
1087 int main() {
1088   InitializeNativeTarget();
1089   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
1090
1091   // Install standard binary operators.
1092   // 1 is lowest precedence.
1093   BinopPrecedence['='] = 2;
1094   BinopPrecedence['<'] = 10;
1095   BinopPrecedence['+'] = 20;
1096   BinopPrecedence['-'] = 20;
1097   BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
1098
1099   // Prime the first token.
1100   fprintf(stderr, "ready> ");
1101   getNextToken();
1102
1103   // Make the module, which holds all the code.
1104   TheModule = new Module("my cool jit", Context);
1105
1106   // Create the JIT.  This takes ownership of the module.
1107   std::string ErrStr;
1108   TheExecutionEngine = EngineBuilder(TheModule).setErrorStr(&ErrStr).create();
1109   if (!TheExecutionEngine) {
1110     fprintf(stderr, "Could not create ExecutionEngine: %s\n", ErrStr.c_str());
1111     exit(1);
1112   }
1113
1114   FunctionPassManager OurFPM(TheModule);
1115
1116   // Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
1117   // target lays out data structures.
1118   OurFPM.add(new DataLayout(*TheExecutionEngine->getDataLayout()));
1119   // Provide basic AliasAnalysis support for GVN.
1120   OurFPM.add(createBasicAliasAnalysisPass());
1121   // Promote allocas to registers.
1122   OurFPM.add(createPromoteMemoryToRegisterPass());
1123   // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
1124   OurFPM.add(createInstructionCombiningPass());
1125   // Reassociate expressions.
1126   OurFPM.add(createReassociatePass());
1127   // Eliminate Common SubExpressions.
1128   OurFPM.add(createGVNPass());
1129   // Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc).
1130   OurFPM.add(createCFGSimplificationPass());
1131
1132   OurFPM.doInitialization();
1133
1134   // Set the global so the code gen can use this.
1135   TheFPM = &OurFPM;
1136
1137   // Run the main "interpreter loop" now.
1138   MainLoop();
1139
1140   TheFPM = 0;
1141
1142   // Print out all of the generated code.
1143   TheModule->dump();
1144
1145   return 0;
1146 }