examples/Kaleidoscope/MCJIT/lazy/toy-jit.cpp

   1 #define MINIMAL_STDERR_OUTPUT
   2
   3 #include "llvm/Analysis/Passes.h"
   4 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
   5 #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
   6 #include "llvm/ExecutionEngine/JIT.h"
   7 #include "llvm/IR/DataLayout.h"
   8 #include "llvm/IR/DerivedTypes.h"
   9 #include "llvm/IR/IRBuilder.h"
  10 #include "llvm/IR/LLVMContext.h"
  11 #include "llvm/IR/Module.h"
  12 #include "llvm/PassManager.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
  21 using namespace llvm;
  22
  23 //===----------------------------------------------------------------------===//
  24 // Lexer
  25 //===----------------------------------------------------------------------===//
  26
  27 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  28 // of these for known things.
  29 enum Token {
  30   tok_eof = -1,
  31
  32   // commands
  33   tok_def = -2, tok_extern = -3,
  34
  35   // primary
  36   tok_identifier = -4, tok_number = -5,
  37
  38   // control
  39   tok_if = -6, tok_then = -7, tok_else = -8,
  40   tok_for = -9, tok_in = -10,
  41
  42   // operators
  43   tok_binary = -11, tok_unary = -12,
  44
  45   // var definition
  46   tok_var = -13
  47 };
  48
  49 static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
  50 static double NumVal;              // Filled in if tok_number
  51
  52 /// gettok - Return the next token from standard input.
  53 static int gettok() {
  54   static int LastChar = ' ';
  55
  56   // Skip any whitespace.
  57   while (isspace(LastChar))
  58     LastChar = getchar();
  59
  60   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  61     IdentifierStr = LastChar;
  62     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  63       IdentifierStr += LastChar;
  64
  65     if (IdentifierStr == "def") return tok_def;
  66     if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern;
  67     if (IdentifierStr == "if") return tok_if;
  68     if (IdentifierStr == "then") return tok_then;
  69     if (IdentifierStr == "else") return tok_else;
  70     if (IdentifierStr == "for") return tok_for;
  71     if (IdentifierStr == "in") return tok_in;
  72     if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary;
  73     if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary;
  74     if (IdentifierStr == "var") return tok_var;
  75     return tok_identifier;
  76   }
  77
  78   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
  79     std::string NumStr;
  80     do {
  81       NumStr += LastChar;
  82       LastChar = getchar();
  83     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  84
  85     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  86     return tok_number;
  87   }
  88
  89   if (LastChar == '#') {
  90     // Comment until end of line.
  91     do LastChar = getchar();
  92     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  93
  94     if (LastChar != EOF)
  95       return gettok();
  96   }
  97
  98   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  99   if (LastChar == EOF)
 100     return tok_eof;
 101
 102   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
 103   int ThisChar = LastChar;
 104   LastChar = getchar();
 105   return ThisChar;
 106 }
 107
 108 //===----------------------------------------------------------------------===//
 109 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 110 //===----------------------------------------------------------------------===//
 111
 112 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
 113 class ExprAST {
 114 public:
 115   virtual ~ExprAST() {}
 116   virtual Value *Codegen() = 0;
 117 };
 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 FunctionPassManager *TheFPM;
 612 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 613 static std::map<std::string, AllocaInst*> NamedValues;
 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 #ifdef USE_MCJIT
 644   Function *F = TheHelper->getFunction(MakeLegalFunctionName(std::string("unary")+Opcode));
 645 #else
 646   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("unary")+Opcode);
 647 #endif
 648   if (F == 0)
 649     return ErrorV("Unknown unary operator");
 650
 651   return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop");
 652 }
 653
 654 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 655   // Special case '=' because we don't want to emit the LHS as an expression.
 656   if (Op == '=') {
 657     // Assignment requires the LHS to be an identifier.
 658     VariableExprAST *LHSE = dynamic_cast<VariableExprAST*>(LHS);
 659     if (!LHSE)
 660       return ErrorV("destination of '=' must be a variable");
 661     // Codegen the RHS.
 662     Value *Val = RHS->Codegen();
 663     if (Val == 0) return 0;
 664
 665     // Look up the name.
 666     Value *Variable = NamedValues[LHSE->getName()];
 667     if (Variable == 0) return ErrorV("Unknown variable name");
 668
 669     Builder.CreateStore(Val, Variable);
 670     return Val;
 671   }
 672
 673   Value *L = LHS->Codegen();
 674   Value *R = RHS->Codegen();
 675   if (L == 0 || R == 0) return 0;
 676
 677   switch (Op) {
 678   case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp");
 679   case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp");
 680   case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp");
 681   case '/': return Builder.CreateFDiv(L, R, "divtmp");
 682   case '<':
 683     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 684     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 685     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 686                                 "booltmp");
 687   default: break;
 688   }
 689
 690   // If it wasn't a builtin binary operator, it must be a user defined one. Emit
 691   // a call to it.
 692   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("binary")+Op);
 693   assert(F && "binary operator not found!");
 694
 695   Value *Ops[] = { L, R };
 696   return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop");
 697 }
 698
 699 Value *CallExprAST::Codegen() {
 700   // Look up the name in the global module table.
 701   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 702   if (CalleeF == 0) {
 703     char error_str[64];
 704     sprintf(error_str, "Unknown function referenced %s", Callee.c_str());
 705     return ErrorV(error_str);
 706   }
 707
 708   // If argument mismatch error.
 709   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 710     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 711
 712   std::vector<Value*> ArgsV;
 713   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 714     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 715     if (ArgsV.back() == 0) return 0;
 716   }
 717
 718   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp");
 719 }
 720
 721 Value *IfExprAST::Codegen() {
 722   Value *CondV = Cond->Codegen();
 723   if (CondV == 0) return 0;
 724
 725   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 726   CondV = Builder.CreateFCmpONE(CondV,
 727                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 728                                 "ifcond");
 729
 730   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 731
 732   // Create blocks for the then and else cases.  Insert the 'then' block at the
 733   // end of the function.
 734   BasicBlock *ThenBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "then", TheFunction);
 735   BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "else");
 736   BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "ifcont");
 737
 738   Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB);
 739
 740   // Emit then value.
 741   Builder.SetInsertPoint(ThenBB);
 742
 743   Value *ThenV = Then->Codegen();
 744   if (ThenV == 0) return 0;
 745
 746   Builder.CreateBr(MergeBB);
 747   // Codegen of 'Then' can change the current block, update ThenBB for the PHI.
 748   ThenBB = Builder.GetInsertBlock();
 749
 750   // Emit else block.
 751   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB);
 752   Builder.SetInsertPoint(ElseBB);
 753
 754   Value *ElseV = Else->Codegen();
 755   if (ElseV == 0) return 0;
 756
 757   Builder.CreateBr(MergeBB);
 758   // Codegen of 'Else' can change the current block, update ElseBB for the PHI.
 759   ElseBB = Builder.GetInsertBlock();
 760
 761   // Emit merge block.
 762   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB);
 763   Builder.SetInsertPoint(MergeBB);
 764   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()), 2,
 765                                   "iftmp");
 766
 767   PN->addIncoming(ThenV, ThenBB);
 768   PN->addIncoming(ElseV, ElseBB);
 769   return PN;
 770 }
 771
 772 Value *ForExprAST::Codegen() {
 773   // Output this as:
 774   //   var = alloca double
 775   //   ...
 776   //   start = startexpr
 777   //   store start -> var
 778   //   goto loop
 779   // loop:
 780   //   ...
 781   //   bodyexpr
 782   //   ...
 783   // loopend:
 784   //   step = stepexpr
 785   //   endcond = endexpr
 786   //
 787   //   curvar = load var
 788   //   nextvar = curvar + step
 789   //   store nextvar -> var
 790   //   br endcond, loop, endloop
 791   // outloop:
 792
 793   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 794
 795   // Create an alloca for the variable in the entry block.
 796   AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 797
 798   // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
 799   Value *StartVal = Start->Codegen();
 800   if (StartVal == 0) return 0;
 801
 802   // Store the value into the alloca.
 803   Builder.CreateStore(StartVal, Alloca);
 804
 805   // Make the new basic block for the loop header, inserting after current
 806   // block.
 807   BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "loop", TheFunction);
 808
 809   // Insert an explicit fall through from the current block to the LoopBB.
 810   Builder.CreateBr(LoopBB);
 811
 812   // Start insertion in LoopBB.
 813   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
 814
 815   // Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node.  If it
 816   // shadows an existing variable, we have to restore it, so save it now.
 817   AllocaInst *OldVal = NamedValues[VarName];
 818   NamedValues[VarName] = Alloca;
 819
 820   // Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
 821   // current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but don't
 822   // allow an error.
 823   if (Body->Codegen() == 0)
 824     return 0;
 825
 826   // Emit the step value.
 827   Value *StepVal;
 828   if (Step) {
 829     StepVal = Step->Codegen();
 830     if (StepVal == 0) return 0;
 831   } else {
 832     // If not specified, use 1.0.
 833     StepVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(1.0));
 834   }
 835
 836   // Compute the end condition.
 837   Value *EndCond = End->Codegen();
 838   if (EndCond == 0) return EndCond;
 839
 840   // Reload, increment, and restore the alloca.  This handles the case where
 841   // the body of the loop mutates the variable.
 842   Value *CurVar = Builder.CreateLoad(Alloca, VarName.c_str());
 843   Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(CurVar, StepVal, "nextvar");
 844   Builder.CreateStore(NextVar, Alloca);
 845
 846   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 847   EndCond = Builder.CreateFCmpONE(EndCond,
 848                               ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0)),
 849                                   "loopcond");
 850
 851   // Create the "after loop" block and insert it.
 852   BasicBlock *AfterBB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "afterloop", TheFunction);
 853
 854   // Insert the conditional branch into the end of LoopEndBB.
 855   Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);
 856
 857   // Any new code will be inserted in AfterBB.
 858   Builder.SetInsertPoint(AfterBB);
 859
 860   // Restore the unshadowed variable.
 861   if (OldVal)
 862     NamedValues[VarName] = OldVal;
 863   else
 864     NamedValues.erase(VarName);
 865
 866
 867   // for expr always returns 0.0.
 868   return Constant::getNullValue(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 869 }
 870
 871 Value *VarExprAST::Codegen() {
 872   std::vector<AllocaInst *> OldBindings;
 873
 874   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 875
 876   // Register all variables and emit their initializer.
 877   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i) {
 878     const std::string &VarName = VarNames[i].first;
 879     ExprAST *Init = VarNames[i].second;
 880
 881     // Emit the initializer before adding the variable to scope, this prevents
 882     // the initializer from referencing the variable itself, and permits stuff
 883     // like this:
 884     //  var a = 1 in
 885     //    var a = a in ...   # refers to outer 'a'.
 886     Value *InitVal;
 887     if (Init) {
 888       InitVal = Init->Codegen();
 889       if (InitVal == 0) return 0;
 890     } else { // If not specified, use 0.0.
 891       InitVal = ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(0.0));
 892     }
 893
 894     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 895     Builder.CreateStore(InitVal, Alloca);
 896
 897     // Remember the old variable binding so that we can restore the binding when
 898     // we unrecurse.
 899     OldBindings.push_back(NamedValues[VarName]);
 900
 901     // Remember this binding.
 902     NamedValues[VarName] = Alloca;
 903   }
 904
 905   // Codegen the body, now that all vars are in scope.
 906   Value *BodyVal = Body->Codegen();
 907   if (BodyVal == 0) return 0;
 908
 909   // Pop all our variables from scope.
 910   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i)
 911     NamedValues[VarNames[i].first] = OldBindings[i];
 912
 913   // Return the body computation.
 914   return BodyVal;
 915 }
 916
 917 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 918   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 919   std::vector<Type*> Doubles(Args.size(),
 920                              Type::getDoubleTy(getGlobalContext()));
 921   FunctionType *FT = FunctionType::get(Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
 922                                        Doubles, false);
 923
 924   Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 925   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 926   // body, don't allow redefinition or reextern.
 927   if (F->getName() != Name) {
 928     // Delete the one we just made and get the existing one.
 929     F->eraseFromParent();
 930     F = TheModule->getFunction(Name);
 931     // If F already has a body, reject this.
 932     if (!F->empty()) {
 933       ErrorF("redefinition of function");
 934       return 0;
 935     }
 936     // If F took a different number of args, reject.
 937     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 938       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 939       return 0;
 940     }
 941   }
 942
 943   // Set names for all arguments.
 944   unsigned Idx = 0;
 945   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 946        ++AI, ++Idx)
 947     AI->setName(Args[Idx]);
 948
 949   return F;
 950 }
 951
 952 /// CreateArgumentAllocas - Create an alloca for each argument and register the
 953 /// argument in the symbol table so that references to it will succeed.
 954 void PrototypeAST::CreateArgumentAllocas(Function *F) {
 955   Function::arg_iterator AI = F->arg_begin();
 956   for (unsigned Idx = 0, e = Args.size(); Idx != e; ++Idx, ++AI) {
 957     // Create an alloca for this variable.
 958     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(F, Args[Idx]);
 959
 960     // Store the initial value into the alloca.
 961     Builder.CreateStore(AI, Alloca);
 962
 963     // Add arguments to variable symbol table.
 964     NamedValues[Args[Idx]] = Alloca;
 965   }
 966 }
 967
 968 Function *FunctionAST::Codegen() {
 969   NamedValues.clear();
 970
 971   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 972   if (TheFunction == 0)
 973     return 0;
 974
 975   // If this is an operator, install it.
 976   if (Proto->isBinaryOp())
 977     BinopPrecedence[Proto->getOperatorName()] = Proto->getBinaryPrecedence();
 978
 979   // Create a new basic block to start insertion into.
 980   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(getGlobalContext(), "entry", TheFunction);
 981   Builder.SetInsertPoint(BB);
 982
 983   // Add all arguments to the symbol table and create their allocas.
 984   Proto->CreateArgumentAllocas(TheFunction);
 985
 986   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 987     // Finish off the function.
 988     Builder.CreateRet(RetVal);
 989
 990     // Validate the generated code, checking for consistency.
 991     verifyFunction(*TheFunction);
 992
 993     // Optimize the function.
 994     TheFPM->run(*TheFunction);
 995
 996     return TheFunction;
 997   }
 998
 999   // Error reading body, remove function.
1000   TheFunction->eraseFromParent();
1001
1002   if (Proto->isBinaryOp())
1003     BinopPrecedence.erase(Proto->getOperatorName());
1004   return 0;
1005 }
1006
1007 //===----------------------------------------------------------------------===//
1008 // Top-Level parsing and JIT Driver
1009 //===----------------------------------------------------------------------===//
1010
1011 static ExecutionEngine *TheExecutionEngine;
1012
1013 static void HandleDefinition() {
1014   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
1015     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1016 #ifndef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1017       fprintf(stderr, "Read function definition:");
1018       LF->dump();
1019 #endif
1020     }
1021   } else {
1022     // Skip token for error recovery.
1023     getNextToken();
1024   }
1025 }
1026
1027 static void HandleExtern() {
1028   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
1029     if (Function *F = P->Codegen()) {
1030 #ifndef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1031       fprintf(stderr, "Read extern: ");
1032       F->dump();
1033 #endif
1034     }
1035   } else {
1036     // Skip token for error recovery.
1037     getNextToken();
1038   }
1039 }
1040
1041 static void HandleTopLevelExpression() {
1042   // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
1043   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
1044     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1045       // JIT the function, returning a function pointer.
1046       void *FPtr = TheExecutionEngine->getPointerToFunction(LF);
1047       // Cast it to the right type (takes no arguments, returns a double) so we
1048       // can call it as a native function.
1049       double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)FPtr;
1050 #ifdef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1051       FP();
1052 #else
1053       fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP());
1054 #endif
1055     }
1056   } else {
1057     // Skip token for error recovery.
1058     getNextToken();
1059   }
1060 }
1061
1062 /// top ::= definition | external | expression | ';'
1063 static void MainLoop() {
1064   while (1) {
1065 #ifndef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1066     fprintf(stderr, "ready> ");
1067 #endif
1068     switch (CurTok) {
1069     case tok_eof:    return;
1070     case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
1071     case tok_def:    HandleDefinition(); break;
1072     case tok_extern: HandleExtern(); break;
1073     default:         HandleTopLevelExpression(); break;
1074     }
1075   }
1076 }
1077
1078 //===----------------------------------------------------------------------===//
1079 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
1080 //===----------------------------------------------------------------------===//
1081
1082 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
1083 extern "C"
1084 double putchard(double X) {
1085   putchar((char)X);
1086   return 0;
1087 }
1088
1089 /// printd - printf that takes a double prints it as "%f\n", returning 0.
1090 extern "C"
1091 double printd(double X) {
1092   printf("%f", X);
1093   return 0;
1094 }
1095
1096 extern "C"
1097 double printlf() {
1098   printf("\n");
1099   return 0;
1100 }
1101
1102 //===----------------------------------------------------------------------===//
1103 // Main driver code.
1104 //===----------------------------------------------------------------------===//
1105
1106 int main(int argc, char **argv) {
1107   InitializeNativeTarget();
1108   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
1109
1110   // Install standard binary operators.
1111   // 1 is lowest precedence.
1112   BinopPrecedence['='] = 2;
1113   BinopPrecedence['<'] = 10;
1114   BinopPrecedence['+'] = 20;
1115   BinopPrecedence['-'] = 20;
1116   BinopPrecedence['/'] = 40;
1117   BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
1118
1119   // Make the module, which holds all the code.
1120   TheModule = new Module("my cool jit", Context);
1121
1122   // Create the JIT.  This takes ownership of the module.
1123   std::string ErrStr;
1124   TheExecutionEngine = EngineBuilder(TheModule).setErrorStr(&ErrStr).create();
1125   if (!TheExecutionEngine) {
1126     fprintf(stderr, "Could not create ExecutionEngine: %s\n", ErrStr.c_str());
1127     exit(1);
1128   }
1129
1130   FunctionPassManager OurFPM(TheModule);
1131
1132   // Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
1133   // target lays out data structures.
1134   OurFPM.add(new DataLayout(*TheExecutionEngine->getDataLayout()));
1135   // Provide basic AliasAnalysis support for GVN.
1136   OurFPM.add(createBasicAliasAnalysisPass());
1137   // Promote allocas to registers.
1138   OurFPM.add(createPromoteMemoryToRegisterPass());
1139   // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
1140   OurFPM.add(createInstructionCombiningPass());
1141   // Reassociate expressions.
1142   OurFPM.add(createReassociatePass());
1143   // Eliminate Common SubExpressions.
1144   OurFPM.add(createGVNPass());
1145   // Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc).
1146   OurFPM.add(createCFGSimplificationPass());
1147
1148   OurFPM.doInitialization();
1149
1150   // Set the global so the code gen can use this.
1151   TheFPM = &OurFPM;
1152
1153   // Prime the first token.
1154 #ifndef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1155   fprintf(stderr, "ready> ");
1156 #endif
1157   getNextToken();
1158
1159   // Run the main "interpreter loop" now.
1160   MainLoop();
1161
1162   // Print out all of the generated code.
1163   TheFPM = 0;
1164 #ifndef MINIMAL_STDERR_OUTPUT
1165   TheModule->dump();
1166 #endif
1167   return 0;
1168 }