examples/Kaleidoscope/toy.cpp

   1 #include "llvm/DerivedTypes.h"
   2 #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
   3 #include "llvm/LLVMContext.h"
   4 #include "llvm/Module.h"
   5 #include "llvm/ModuleProvider.h"
   6 #include "llvm/PassManager.h"
   7 #include "llvm/Analysis/Verifier.h"
   8 #include "llvm/Target/TargetData.h"
   9 #include "llvm/Target/TargetSelect.h"
  10 #include "llvm/Transforms/Scalar.h"
  11 #include "llvm/Support/IRBuilder.h"
  12 #include <cstdio>
  13 #include <string>
  14 #include <map>
  15 #include <vector>
  16 using namespace llvm;
  17
  18 //===----------------------------------------------------------------------===//
  19 // Lexer
  20 //===----------------------------------------------------------------------===//
  21
  22 // The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
  23 // of these for known things.
  24 enum Token {
  25   tok_eof = -1,
  26
  27   // commands
  28   tok_def = -2, tok_extern = -3,
  29
  30   // primary
  31   tok_identifier = -4, tok_number = -5,
  32
  33   // control
  34   tok_if = -6, tok_then = -7, tok_else = -8,
  35   tok_for = -9, tok_in = -10,
  36
  37   // operators
  38   tok_binary = -11, tok_unary = -12,
  39
  40   // var definition
  41   tok_var = -13
  42 };
  43
  44 static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
  45 static double NumVal;              // Filled in if tok_number
  46
  47 /// gettok - Return the next token from standard input.
  48 static int gettok() {
  49   static int LastChar = ' ';
  50
  51   // Skip any whitespace.
  52   while (isspace(LastChar))
  53     LastChar = getchar();
  54
  55   if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]*
  56     IdentifierStr = LastChar;
  57     while (isalnum((LastChar = getchar())))
  58       IdentifierStr += LastChar;
  59
  60     if (IdentifierStr == "def") return tok_def;
  61     if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern;
  62     if (IdentifierStr == "if") return tok_if;
  63     if (IdentifierStr == "then") return tok_then;
  64     if (IdentifierStr == "else") return tok_else;
  65     if (IdentifierStr == "for") return tok_for;
  66     if (IdentifierStr == "in") return tok_in;
  67     if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary;
  68     if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary;
  69     if (IdentifierStr == "var") return tok_var;
  70     return tok_identifier;
  71   }
  72
  73   if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
  74     std::string NumStr;
  75     do {
  76       NumStr += LastChar;
  77       LastChar = getchar();
  78     } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');
  79
  80     NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
  81     return tok_number;
  82   }
  83
  84   if (LastChar == '#') {
  85     // Comment until end of line.
  86     do LastChar = getchar();
  87     while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');
  88
  89     if (LastChar != EOF)
  90       return gettok();
  91   }
  92
  93   // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  94   if (LastChar == EOF)
  95     return tok_eof;
  96
  97   // Otherwise, just return the character as its ascii value.
  98   int ThisChar = LastChar;
  99   LastChar = getchar();
 100   return ThisChar;
 101 }
 102
 103 //===----------------------------------------------------------------------===//
 104 // Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
 105 //===----------------------------------------------------------------------===//
 106
 107 /// ExprAST - Base class for all expression nodes.
 108 class ExprAST {
 109 public:
 110   virtual ~ExprAST() {}
 111   virtual Value *Codegen() = 0;
 112 };
 113
 114 /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
 115 class NumberExprAST : public ExprAST {
 116   double Val;
 117 public:
 118   NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
 119   virtual Value *Codegen();
 120 };
 121
 122 /// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
 123 class VariableExprAST : public ExprAST {
 124   std::string Name;
 125 public:
 126   VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
 127   const std::string &getName() const { return Name; }
 128   virtual Value *Codegen();
 129 };
 130
 131 /// UnaryExprAST - Expression class for a unary operator.
 132 class UnaryExprAST : public ExprAST {
 133   char Opcode;
 134   ExprAST *Operand;
 135 public:
 136   UnaryExprAST(char opcode, ExprAST *operand)
 137     : Opcode(opcode), Operand(operand) {}
 138   virtual Value *Codegen();
 139 };
 140
 141 /// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
 142 class BinaryExprAST : public ExprAST {
 143   char Op;
 144   ExprAST *LHS, *RHS;
 145 public:
 146   BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
 147     : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
 148   virtual Value *Codegen();
 149 };
 150
 151 /// CallExprAST - Expression class for function calls.
 152 class CallExprAST : public ExprAST {
 153   std::string Callee;
 154   std::vector<ExprAST*> Args;
 155 public:
 156   CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
 157     : Callee(callee), Args(args) {}
 158   virtual Value *Codegen();
 159 };
 160
 161 /// IfExprAST - Expression class for if/then/else.
 162 class IfExprAST : public ExprAST {
 163   ExprAST *Cond, *Then, *Else;
 164 public:
 165   IfExprAST(ExprAST *cond, ExprAST *then, ExprAST *_else)
 166   : Cond(cond), Then(then), Else(_else) {}
 167   virtual Value *Codegen();
 168 };
 169
 170 /// ForExprAST - Expression class for for/in.
 171 class ForExprAST : public ExprAST {
 172   std::string VarName;
 173   ExprAST *Start, *End, *Step, *Body;
 174 public:
 175   ForExprAST(const std::string &varname, ExprAST *start, ExprAST *end,
 176              ExprAST *step, ExprAST *body)
 177     : VarName(varname), Start(start), End(end), Step(step), Body(body) {}
 178   virtual Value *Codegen();
 179 };
 180
 181 /// VarExprAST - Expression class for var/in
 182 class VarExprAST : public ExprAST {
 183   std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > VarNames;
 184   ExprAST *Body;
 185 public:
 186   VarExprAST(const std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > &varnames,
 187              ExprAST *body)
 188   : VarNames(varnames), Body(body) {}
 189
 190   virtual Value *Codegen();
 191 };
 192
 193 /// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
 194 /// which captures its argument names as well as if it is an operator.
 195 class PrototypeAST {
 196   std::string Name;
 197   std::vector<std::string> Args;
 198   bool isOperator;
 199   unsigned Precedence;  // Precedence if a binary op.
 200 public:
 201   PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args,
 202                bool isoperator = false, unsigned prec = 0)
 203   : Name(name), Args(args), isOperator(isoperator), Precedence(prec) {}
 204
 205   bool isUnaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 1; }
 206   bool isBinaryOp() const { return isOperator && Args.size() == 2; }
 207
 208   char getOperatorName() const {
 209     assert(isUnaryOp() || isBinaryOp());
 210     return Name[Name.size()-1];
 211   }
 212
 213   unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; }
 214
 215   Function *Codegen();
 216
 217   void CreateArgumentAllocas(Function *F);
 218 };
 219
 220 /// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
 221 class FunctionAST {
 222   PrototypeAST *Proto;
 223   ExprAST *Body;
 224 public:
 225   FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body)
 226     : Proto(proto), Body(body) {}
 227
 228   Function *Codegen();
 229 };
 230
 231 //===----------------------------------------------------------------------===//
 232 // Parser
 233 //===----------------------------------------------------------------------===//
 234
 235 /// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
 236 /// token the parser it looking at.  getNextToken reads another token from the
 237 /// lexer and updates CurTok with its results.
 238 static int CurTok;
 239 static int getNextToken() {
 240   return CurTok = gettok();
 241 }
 242
 243 /// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
 244 /// defined.
 245 static std::map<char, int> BinopPrecedence;
 246
 247 /// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
 248 static int GetTokPrecedence() {
 249   if (!isascii(CurTok))
 250     return -1;
 251
 252   // Make sure it's a declared binop.
 253   int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
 254   if (TokPrec <= 0) return -1;
 255   return TokPrec;
 256 }
 257
 258 /// Error* - These are little helper functions for error handling.
 259 ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
 260 PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 261 FunctionAST *ErrorF(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 262
 263 static ExprAST *ParseExpression();
 264
 265 /// identifierexpr
 266 ///   ::= identifier
 267 ///   ::= identifier '(' expression* ')'
 268 static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
 269   std::string IdName = IdentifierStr;
 270
 271   getNextToken();  // eat identifier.
 272
 273   if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
 274     return new VariableExprAST(IdName);
 275
 276   // Call.
 277   getNextToken();  // eat (
 278   std::vector<ExprAST*> Args;
 279   if (CurTok != ')') {
 280     while (1) {
 281       ExprAST *Arg = ParseExpression();
 282       if (!Arg) return 0;
 283       Args.push_back(Arg);
 284
 285       if (CurTok == ')') break;
 286
 287       if (CurTok != ',')
 288         return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
 289       getNextToken();
 290     }
 291   }
 292
 293   // Eat the ')'.
 294   getNextToken();
 295
 296   return new CallExprAST(IdName, Args);
 297 }
 298
 299 /// numberexpr ::= number
 300 static ExprAST *ParseNumberExpr() {
 301   ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
 302   getNextToken(); // consume the number
 303   return Result;
 304 }
 305
 306 /// parenexpr ::= '(' expression ')'
 307 static ExprAST *ParseParenExpr() {
 308   getNextToken();  // eat (.
 309   ExprAST *V = ParseExpression();
 310   if (!V) return 0;
 311
 312   if (CurTok != ')')
 313     return Error("expected ')'");
 314   getNextToken();  // eat ).
 315   return V;
 316 }
 317
 318 /// ifexpr ::= 'if' expression 'then' expression 'else' expression
 319 static ExprAST *ParseIfExpr() {
 320   getNextToken();  // eat the if.
 321
 322   // condition.
 323   ExprAST *Cond = ParseExpression();
 324   if (!Cond) return 0;
 325
 326   if (CurTok != tok_then)
 327     return Error("expected then");
 328   getNextToken();  // eat the then
 329
 330   ExprAST *Then = ParseExpression();
 331   if (Then == 0) return 0;
 332
 333   if (CurTok != tok_else)
 334     return Error("expected else");
 335
 336   getNextToken();
 337
 338   ExprAST *Else = ParseExpression();
 339   if (!Else) return 0;
 340
 341   return new IfExprAST(Cond, Then, Else);
 342 }
 343
 344 /// forexpr ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression
 345 static ExprAST *ParseForExpr() {
 346   getNextToken();  // eat the for.
 347
 348   if (CurTok != tok_identifier)
 349     return Error("expected identifier after for");
 350
 351   std::string IdName = IdentifierStr;
 352   getNextToken();  // eat identifier.
 353
 354   if (CurTok != '=')
 355     return Error("expected '=' after for");
 356   getNextToken();  // eat '='.
 357
 358
 359   ExprAST *Start = ParseExpression();
 360   if (Start == 0) return 0;
 361   if (CurTok != ',')
 362     return Error("expected ',' after for start value");
 363   getNextToken();
 364
 365   ExprAST *End = ParseExpression();
 366   if (End == 0) return 0;
 367
 368   // The step value is optional.
 369   ExprAST *Step = 0;
 370   if (CurTok == ',') {
 371     getNextToken();
 372     Step = ParseExpression();
 373     if (Step == 0) return 0;
 374   }
 375
 376   if (CurTok != tok_in)
 377     return Error("expected 'in' after for");
 378   getNextToken();  // eat 'in'.
 379
 380   ExprAST *Body = ParseExpression();
 381   if (Body == 0) return 0;
 382
 383   return new ForExprAST(IdName, Start, End, Step, Body);
 384 }
 385
 386 /// varexpr ::= 'var' identifier ('=' expression)?
 387 //                    (',' identifier ('=' expression)?)* 'in' expression
 388 static ExprAST *ParseVarExpr() {
 389   getNextToken();  // eat the var.
 390
 391   std::vector<std::pair<std::string, ExprAST*> > VarNames;
 392
 393   // At least one variable name is required.
 394   if (CurTok != tok_identifier)
 395     return Error("expected identifier after var");
 396
 397   while (1) {
 398     std::string Name = IdentifierStr;
 399     getNextToken();  // eat identifier.
 400
 401     // Read the optional initializer.
 402     ExprAST *Init = 0;
 403     if (CurTok == '=') {
 404       getNextToken(); // eat the '='.
 405
 406       Init = ParseExpression();
 407       if (Init == 0) return 0;
 408     }
 409
 410     VarNames.push_back(std::make_pair(Name, Init));
 411
 412     // End of var list, exit loop.
 413     if (CurTok != ',') break;
 414     getNextToken(); // eat the ','.
 415
 416     if (CurTok != tok_identifier)
 417       return Error("expected identifier list after var");
 418   }
 419
 420   // At this point, we have to have 'in'.
 421   if (CurTok != tok_in)
 422     return Error("expected 'in' keyword after 'var'");
 423   getNextToken();  // eat 'in'.
 424
 425   ExprAST *Body = ParseExpression();
 426   if (Body == 0) return 0;
 427
 428   return new VarExprAST(VarNames, Body);
 429 }
 430
 431
 432 /// primary
 433 ///   ::= identifierexpr
 434 ///   ::= numberexpr
 435 ///   ::= parenexpr
 436 ///   ::= ifexpr
 437 ///   ::= forexpr
 438 ///   ::= varexpr
 439 static ExprAST *ParsePrimary() {
 440   switch (CurTok) {
 441   default: return Error("unknown token when expecting an expression");
 442   case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
 443   case tok_number:     return ParseNumberExpr();
 444   case '(':            return ParseParenExpr();
 445   case tok_if:         return ParseIfExpr();
 446   case tok_for:        return ParseForExpr();
 447   case tok_var:        return ParseVarExpr();
 448   }
 449 }
 450
 451 /// unary
 452 ///   ::= primary
 453 ///   ::= '!' unary
 454 static ExprAST *ParseUnary() {
 455   // If the current token is not an operator, it must be a primary expr.
 456   if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',')
 457     return ParsePrimary();
 458
 459   // If this is a unary operator, read it.
 460   int Opc = CurTok;
 461   getNextToken();
 462   if (ExprAST *Operand = ParseUnary())
 463     return new UnaryExprAST(Opc, Operand);
 464   return 0;
 465 }
 466
 467 /// binoprhs
 468 ///   ::= ('+' unary)*
 469 static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
 470   // If this is a binop, find its precedence.
 471   while (1) {
 472     int TokPrec = GetTokPrecedence();
 473
 474     // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
 475     // consume it, otherwise we are done.
 476     if (TokPrec < ExprPrec)
 477       return LHS;
 478
 479     // Okay, we know this is a binop.
 480     int BinOp = CurTok;
 481     getNextToken();  // eat binop
 482
 483     // Parse the unary expression after the binary operator.
 484     ExprAST *RHS = ParseUnary();
 485     if (!RHS) return 0;
 486
 487     // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
 488     // the pending operator take RHS as its LHS.
 489     int NextPrec = GetTokPrecedence();
 490     if (TokPrec < NextPrec) {
 491       RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
 492       if (RHS == 0) return 0;
 493     }
 494
 495     // Merge LHS/RHS.
 496     LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
 497   }
 498 }
 499
 500 /// expression
 501 ///   ::= unary binoprhs
 502 ///
 503 static ExprAST *ParseExpression() {
 504   ExprAST *LHS = ParseUnary();
 505   if (!LHS) return 0;
 506
 507   return ParseBinOpRHS(0, LHS);
 508 }
 509
 510 /// prototype
 511 ///   ::= id '(' id* ')'
 512 ///   ::= binary LETTER number? (id, id)
 513 ///   ::= unary LETTER (id)
 514 static PrototypeAST *ParsePrototype() {
 515   std::string FnName;
 516
 517   unsigned Kind = 0;            // 0 = identifier, 1 = unary, 2 = binary.
 518   unsigned BinaryPrecedence = 30;
 519
 520   switch (CurTok) {
 521   default:
 522     return ErrorP("Expected function name in prototype");
 523   case tok_identifier:
 524     FnName = IdentifierStr;
 525     Kind = 0;
 526     getNextToken();
 527     break;
 528   case tok_unary:
 529     getNextToken();
 530     if (!isascii(CurTok))
 531       return ErrorP("Expected unary operator");
 532     FnName = "unary";
 533     FnName += (char)CurTok;
 534     Kind = 1;
 535     getNextToken();
 536     break;
 537   case tok_binary:
 538     getNextToken();
 539     if (!isascii(CurTok))
 540       return ErrorP("Expected binary operator");
 541     FnName = "binary";
 542     FnName += (char)CurTok;
 543     Kind = 2;
 544     getNextToken();
 545
 546     // Read the precedence if present.
 547     if (CurTok == tok_number) {
 548       if (NumVal < 1 || NumVal > 100)
 549         return ErrorP("Invalid precedecnce: must be 1..100");
 550       BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal;
 551       getNextToken();
 552     }
 553     break;
 554   }
 555
 556   if (CurTok != '(')
 557     return ErrorP("Expected '(' in prototype");
 558
 559   std::vector<std::string> ArgNames;
 560   while (getNextToken() == tok_identifier)
 561     ArgNames.push_back(IdentifierStr);
 562   if (CurTok != ')')
 563     return ErrorP("Expected ')' in prototype");
 564
 565   // success.
 566   getNextToken();  // eat ')'.
 567
 568   // Verify right number of names for operator.
 569   if (Kind && ArgNames.size() != Kind)
 570     return ErrorP("Invalid number of operands for operator");
 571
 572   return new PrototypeAST(FnName, ArgNames, Kind != 0, BinaryPrecedence);
 573 }
 574
 575 /// definition ::= 'def' prototype expression
 576 static FunctionAST *ParseDefinition() {
 577   getNextToken();  // eat def.
 578   PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
 579   if (Proto == 0) return 0;
 580
 581   if (ExprAST *E = ParseExpression())
 582     return new FunctionAST(Proto, E);
 583   return 0;
 584 }
 585
 586 /// toplevelexpr ::= expression
 587 static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
 588   if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
 589     // Make an anonymous proto.
 590     PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
 591     return new FunctionAST(Proto, E);
 592   }
 593   return 0;
 594 }
 595
 596 /// external ::= 'extern' prototype
 597 static PrototypeAST *ParseExtern() {
 598   getNextToken();  // eat extern.
 599   return ParsePrototype();
 600 }
 601
 602 //===----------------------------------------------------------------------===//
 603 // Code Generation
 604 //===----------------------------------------------------------------------===//
 605
 606 static Module *TheModule;
 607 static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
 608 static std::map<std::string, AllocaInst*> NamedValues;
 609 static FunctionPassManager *TheFPM;
 610
 611 Value *ErrorV(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
 612
 613 /// CreateEntryBlockAlloca - Create an alloca instruction in the entry block of
 614 /// the function.  This is used for mutable variables etc.
 615 static AllocaInst *CreateEntryBlockAlloca(Function *TheFunction,
 616                                           const std::string &VarName) {
 617   IRBuilder<> TmpB(&TheFunction->getEntryBlock(),
 618                  TheFunction->getEntryBlock().begin());
 619   return TmpB.CreateAlloca(Type::DoubleTy, 0, VarName.c_str());
 620 }
 621
 622
 623 Value *NumberExprAST::Codegen() {
 624   return getGlobalContext().getConstantFP(APFloat(Val));
 625 }
 626
 627 Value *VariableExprAST::Codegen() {
 628   // Look this variable up in the function.
 629   Value *V = NamedValues[Name];
 630   if (V == 0) return ErrorV("Unknown variable name");
 631
 632   // Load the value.
 633   return Builder.CreateLoad(V, Name.c_str());
 634 }
 635
 636 Value *UnaryExprAST::Codegen() {
 637   Value *OperandV = Operand->Codegen();
 638   if (OperandV == 0) return 0;
 639
 640   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("unary")+Opcode);
 641   if (F == 0)
 642     return ErrorV("Unknown unary operator");
 643
 644   return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop");
 645 }
 646
 647
 648 Value *BinaryExprAST::Codegen() {
 649   // Special case '=' because we don't want to emit the LHS as an expression.
 650   if (Op == '=') {
 651     // Assignment requires the LHS to be an identifier.
 652     VariableExprAST *LHSE = dynamic_cast<VariableExprAST*>(LHS);
 653     if (!LHSE)
 654       return ErrorV("destination of '=' must be a variable");
 655     // Codegen the RHS.
 656     Value *Val = RHS->Codegen();
 657     if (Val == 0) return 0;
 658
 659     // Look up the name.
 660     Value *Variable = NamedValues[LHSE->getName()];
 661     if (Variable == 0) return ErrorV("Unknown variable name");
 662
 663     Builder.CreateStore(Val, Variable);
 664     return Val;
 665   }
 666
 667
 668   Value *L = LHS->Codegen();
 669   Value *R = RHS->Codegen();
 670   if (L == 0 || R == 0) return 0;
 671
 672   switch (Op) {
 673   case '+': return Builder.CreateAdd(L, R, "addtmp");
 674   case '-': return Builder.CreateSub(L, R, "subtmp");
 675   case '*': return Builder.CreateMul(L, R, "multmp");
 676   case '<':
 677     L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp");
 678     // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
 679     return Builder.CreateUIToFP(L, Type::DoubleTy, "booltmp");
 680   default: break;
 681   }
 682
 683   // If it wasn't a builtin binary operator, it must be a user defined one. Emit
 684   // a call to it.
 685   Function *F = TheModule->getFunction(std::string("binary")+Op);
 686   assert(F && "binary operator not found!");
 687
 688   Value *Ops[] = { L, R };
 689   return Builder.CreateCall(F, Ops, Ops+2, "binop");
 690 }
 691
 692 Value *CallExprAST::Codegen() {
 693   // Look up the name in the global module table.
 694   Function *CalleeF = TheModule->getFunction(Callee);
 695   if (CalleeF == 0)
 696     return ErrorV("Unknown function referenced");
 697
 698   // If argument mismatch error.
 699   if (CalleeF->arg_size() != Args.size())
 700     return ErrorV("Incorrect # arguments passed");
 701
 702   std::vector<Value*> ArgsV;
 703   for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) {
 704     ArgsV.push_back(Args[i]->Codegen());
 705     if (ArgsV.back() == 0) return 0;
 706   }
 707
 708   return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV.begin(), ArgsV.end(), "calltmp");
 709 }
 710
 711 Value *IfExprAST::Codegen() {
 712   Value *CondV = Cond->Codegen();
 713   if (CondV == 0) return 0;
 714
 715   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 716   CondV = Builder.CreateFCmpONE(CondV,
 717                                 getGlobalContext().getConstantFP(APFloat(0.0)),
 718                                 "ifcond");
 719
 720   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 721
 722   // Create blocks for the then and else cases.  Insert the 'then' block at the
 723   // end of the function.
 724   BasicBlock *ThenBB = BasicBlock::Create("then", TheFunction);
 725   BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create("else");
 726   BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create("ifcont");
 727
 728   Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB);
 729
 730   // Emit then value.
 731   Builder.SetInsertPoint(ThenBB);
 732
 733   Value *ThenV = Then->Codegen();
 734   if (ThenV == 0) return 0;
 735
 736   Builder.CreateBr(MergeBB);
 737   // Codegen of 'Then' can change the current block, update ThenBB for the PHI.
 738   ThenBB = Builder.GetInsertBlock();
 739
 740   // Emit else block.
 741   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB);
 742   Builder.SetInsertPoint(ElseBB);
 743
 744   Value *ElseV = Else->Codegen();
 745   if (ElseV == 0) return 0;
 746
 747   Builder.CreateBr(MergeBB);
 748   // Codegen of 'Else' can change the current block, update ElseBB for the PHI.
 749   ElseBB = Builder.GetInsertBlock();
 750
 751   // Emit merge block.
 752   TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB);
 753   Builder.SetInsertPoint(MergeBB);
 754   PHINode *PN = Builder.CreatePHI(Type::DoubleTy, "iftmp");
 755
 756   PN->addIncoming(ThenV, ThenBB);
 757   PN->addIncoming(ElseV, ElseBB);
 758   return PN;
 759 }
 760
 761 Value *ForExprAST::Codegen() {
 762   // Output this as:
 763   //   var = alloca double
 764   //   ...
 765   //   start = startexpr
 766   //   store start -> var
 767   //   goto loop
 768   // loop:
 769   //   ...
 770   //   bodyexpr
 771   //   ...
 772   // loopend:
 773   //   step = stepexpr
 774   //   endcond = endexpr
 775   //
 776   //   curvar = load var
 777   //   nextvar = curvar + step
 778   //   store nextvar -> var
 779   //   br endcond, loop, endloop
 780   // outloop:
 781
 782   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 783
 784   // Create an alloca for the variable in the entry block.
 785   AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 786
 787   // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
 788   Value *StartVal = Start->Codegen();
 789   if (StartVal == 0) return 0;
 790
 791   // Store the value into the alloca.
 792   Builder.CreateStore(StartVal, Alloca);
 793
 794   // Make the new basic block for the loop header, inserting after current
 795   // block.
 796   BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create("loop", TheFunction);
 797
 798   // Insert an explicit fall through from the current block to the LoopBB.
 799   Builder.CreateBr(LoopBB);
 800
 801   // Start insertion in LoopBB.
 802   Builder.SetInsertPoint(LoopBB);
 803
 804   // Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node.  If it
 805   // shadows an existing variable, we have to restore it, so save it now.
 806   AllocaInst *OldVal = NamedValues[VarName];
 807   NamedValues[VarName] = Alloca;
 808
 809   // Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
 810   // current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but don't
 811   // allow an error.
 812   if (Body->Codegen() == 0)
 813     return 0;
 814
 815   // Emit the step value.
 816   Value *StepVal;
 817   if (Step) {
 818     StepVal = Step->Codegen();
 819     if (StepVal == 0) return 0;
 820   } else {
 821     // If not specified, use 1.0.
 822     StepVal = getGlobalContext().getConstantFP(APFloat(1.0));
 823   }
 824
 825   // Compute the end condition.
 826   Value *EndCond = End->Codegen();
 827   if (EndCond == 0) return EndCond;
 828
 829   // Reload, increment, and restore the alloca.  This handles the case where
 830   // the body of the loop mutates the variable.
 831   Value *CurVar = Builder.CreateLoad(Alloca, VarName.c_str());
 832   Value *NextVar = Builder.CreateAdd(CurVar, StepVal, "nextvar");
 833   Builder.CreateStore(NextVar, Alloca);
 834
 835   // Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0.
 836   EndCond = Builder.CreateFCmpONE(EndCond,
 837                                 getGlobalContext().getConstantFP(APFloat(0.0)),
 838                                   "loopcond");
 839
 840   // Create the "after loop" block and insert it.
 841   BasicBlock *AfterBB = BasicBlock::Create("afterloop", TheFunction);
 842
 843   // Insert the conditional branch into the end of LoopEndBB.
 844   Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB);
 845
 846   // Any new code will be inserted in AfterBB.
 847   Builder.SetInsertPoint(AfterBB);
 848
 849   // Restore the unshadowed variable.
 850   if (OldVal)
 851     NamedValues[VarName] = OldVal;
 852   else
 853     NamedValues.erase(VarName);
 854
 855
 856   // for expr always returns 0.0.
 857   return TheFunction->getContext()->getNullValue(Type::DoubleTy);
 858 }
 859
 860 Value *VarExprAST::Codegen() {
 861   std::vector<AllocaInst *> OldBindings;
 862
 863   Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
 864
 865   // Register all variables and emit their initializer.
 866   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i) {
 867     const std::string &VarName = VarNames[i].first;
 868     ExprAST *Init = VarNames[i].second;
 869
 870     // Emit the initializer before adding the variable to scope, this prevents
 871     // the initializer from referencing the variable itself, and permits stuff
 872     // like this:
 873     //  var a = 1 in
 874     //    var a = a in ...   # refers to outer 'a'.
 875     Value *InitVal;
 876     if (Init) {
 877       InitVal = Init->Codegen();
 878       if (InitVal == 0) return 0;
 879     } else { // If not specified, use 0.0.
 880       InitVal = getGlobalContext().getConstantFP(APFloat(0.0));
 881     }
 882
 883     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
 884     Builder.CreateStore(InitVal, Alloca);
 885
 886     // Remember the old variable binding so that we can restore the binding when
 887     // we unrecurse.
 888     OldBindings.push_back(NamedValues[VarName]);
 889
 890     // Remember this binding.
 891     NamedValues[VarName] = Alloca;
 892   }
 893
 894   // Codegen the body, now that all vars are in scope.
 895   Value *BodyVal = Body->Codegen();
 896   if (BodyVal == 0) return 0;
 897
 898   // Pop all our variables from scope.
 899   for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i)
 900     NamedValues[VarNames[i].first] = OldBindings[i];
 901
 902   // Return the body computation.
 903   return BodyVal;
 904 }
 905
 906
 907 Function *PrototypeAST::Codegen() {
 908   // Make the function type:  double(double,double) etc.
 909   std::vector<const Type*> Doubles(Args.size(), Type::DoubleTy);
 910   FunctionType *FT =
 911     getGlobalContext().getFunctionType(Type::DoubleTy, Doubles, false);
 912
 913   Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule);
 914
 915   // If F conflicted, there was already something named 'Name'.  If it has a
 916   // body, don't allow redefinition or reextern.
 917   if (F->getName() != Name) {
 918     // Delete the one we just made and get the existing one.
 919     F->eraseFromParent();
 920     F = TheModule->getFunction(Name);
 921
 922     // If F already has a body, reject this.
 923     if (!F->empty()) {
 924       ErrorF("redefinition of function");
 925       return 0;
 926     }
 927
 928     // If F took a different number of args, reject.
 929     if (F->arg_size() != Args.size()) {
 930       ErrorF("redefinition of function with different # args");
 931       return 0;
 932     }
 933   }
 934
 935   // Set names for all arguments.
 936   unsigned Idx = 0;
 937   for (Function::arg_iterator AI = F->arg_begin(); Idx != Args.size();
 938        ++AI, ++Idx)
 939     AI->setName(Args[Idx]);
 940
 941   return F;
 942 }
 943
 944 /// CreateArgumentAllocas - Create an alloca for each argument and register the
 945 /// argument in the symbol table so that references to it will succeed.
 946 void PrototypeAST::CreateArgumentAllocas(Function *F) {
 947   Function::arg_iterator AI = F->arg_begin();
 948   for (unsigned Idx = 0, e = Args.size(); Idx != e; ++Idx, ++AI) {
 949     // Create an alloca for this variable.
 950     AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(F, Args[Idx]);
 951
 952     // Store the initial value into the alloca.
 953     Builder.CreateStore(AI, Alloca);
 954
 955     // Add arguments to variable symbol table.
 956     NamedValues[Args[Idx]] = Alloca;
 957   }
 958 }
 959
 960
 961 Function *FunctionAST::Codegen() {
 962   NamedValues.clear();
 963
 964   Function *TheFunction = Proto->Codegen();
 965   if (TheFunction == 0)
 966     return 0;
 967
 968   // If this is an operator, install it.
 969   if (Proto->isBinaryOp())
 970     BinopPrecedence[Proto->getOperatorName()] = Proto->getBinaryPrecedence();
 971
 972   // Create a new basic block to start insertion into.
 973   BasicBlock *BB = BasicBlock::Create("entry", TheFunction);
 974   Builder.SetInsertPoint(BB);
 975
 976   // Add all arguments to the symbol table and create their allocas.
 977   Proto->CreateArgumentAllocas(TheFunction);
 978
 979   if (Value *RetVal = Body->Codegen()) {
 980     // Finish off the function.
 981     Builder.CreateRet(RetVal);
 982
 983     // Validate the generated code, checking for consistency.
 984     verifyFunction(*TheFunction);
 985
 986     // Optimize the function.
 987     TheFPM->run(*TheFunction);
 988
 989     return TheFunction;
 990   }
 991
 992   // Error reading body, remove function.
 993   TheFunction->eraseFromParent();
 994
 995   if (Proto->isBinaryOp())
 996     BinopPrecedence.erase(Proto->getOperatorName());
 997   return 0;
 998 }
 999
1000 //===----------------------------------------------------------------------===//
1001 // Top-Level parsing and JIT Driver
1002 //===----------------------------------------------------------------------===//
1003
1004 static ExecutionEngine *TheExecutionEngine;
1005
1006 static void HandleDefinition() {
1007   if (FunctionAST *F = ParseDefinition()) {
1008     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1009       fprintf(stderr, "Read function definition:");
1010       LF->dump();
1011     }
1012   } else {
1013     // Skip token for error recovery.
1014     getNextToken();
1015   }
1016 }
1017
1018 static void HandleExtern() {
1019   if (PrototypeAST *P = ParseExtern()) {
1020     if (Function *F = P->Codegen()) {
1021       fprintf(stderr, "Read extern: ");
1022       F->dump();
1023     }
1024   } else {
1025     // Skip token for error recovery.
1026     getNextToken();
1027   }
1028 }
1029
1030 static void HandleTopLevelExpression() {
1031   // Evaluate a top level expression into an anonymous function.
1032   if (FunctionAST *F = ParseTopLevelExpr()) {
1033     if (Function *LF = F->Codegen()) {
1034       // JIT the function, returning a function pointer.
1035       void *FPtr = TheExecutionEngine->getPointerToFunction(LF);
1036
1037       // Cast it to the right type (takes no arguments, returns a double) so we
1038       // can call it as a native function.
1039       double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)FPtr;
1040       fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP());
1041     }
1042   } else {
1043     // Skip token for error recovery.
1044     getNextToken();
1045   }
1046 }
1047
1048 /// top ::= definition | external | expression | ';'
1049 static void MainLoop() {
1050   while (1) {
1051     fprintf(stderr, "ready> ");
1052     switch (CurTok) {
1053     case tok_eof:    return;
1054     case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top level semicolons.
1055     case tok_def:    HandleDefinition(); break;
1056     case tok_extern: HandleExtern(); break;
1057     default:         HandleTopLevelExpression(); break;
1058     }
1059   }
1060 }
1061
1062
1063
1064 //===----------------------------------------------------------------------===//
1065 // "Library" functions that can be "extern'd" from user code.
1066 //===----------------------------------------------------------------------===//
1067
1068 /// putchard - putchar that takes a double and returns 0.
1069 extern "C"
1070 double putchard(double X) {
1071   putchar((char)X);
1072   return 0;
1073 }
1074
1075 /// printd - printf that takes a double prints it as "%f\n", returning 0.
1076 extern "C"
1077 double printd(double X) {
1078   printf("%f\n", X);
1079   return 0;
1080 }
1081
1082 //===----------------------------------------------------------------------===//
1083 // Main driver code.
1084 //===----------------------------------------------------------------------===//
1085
1086 int main() {
1087   InitializeNativeTarget();
1088   LLVMContext &Context = getGlobalContext();
1089
1090   // Install standard binary operators.
1091   // 1 is lowest precedence.
1092   BinopPrecedence['='] = 2;
1093   BinopPrecedence['<'] = 10;
1094   BinopPrecedence['+'] = 20;
1095   BinopPrecedence['-'] = 20;
1096   BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
1097
1098   // Prime the first token.
1099   fprintf(stderr, "ready> ");
1100   getNextToken();
1101
1102   // Make the module, which holds all the code.
1103   TheModule = new Module("my cool jit", Context);
1104
1105   // Create the JIT.
1106   TheExecutionEngine = ExecutionEngine::create(TheModule);
1107
1108   {
1109     ExistingModuleProvider OurModuleProvider(TheModule);
1110     FunctionPassManager OurFPM(&OurModuleProvider);
1111
1112     // Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
1113     // target lays out data structures.
1114     OurFPM.add(new TargetData(*TheExecutionEngine->getTargetData()));
1115     // Promote allocas to registers.
1116     OurFPM.add(createPromoteMemoryToRegisterPass());
1117     // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
1118     OurFPM.add(createInstructionCombiningPass());
1119     // Reassociate expressions.
1120     OurFPM.add(createReassociatePass());
1121     // Eliminate Common SubExpressions.
1122     OurFPM.add(createGVNPass());
1123     // Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc).
1124     OurFPM.add(createCFGSimplificationPass());
1125
1126     // Set the global so the code gen can use this.
1127     TheFPM = &OurFPM;
1128
1129     // Run the main "interpreter loop" now.
1130     MainLoop();
1131
1132     TheFPM = 0;
1133
1134     // Print out all of the generated code.
1135     TheModule->dump();
1136
1137   }  // Free module provider (and thus the module) and pass manager.
1138
1139   return 0;
1140 }
1141