[CMake] Allow overriding MSVC_DIA_SDK_DIR via CMake
[llvm-core.git] / docs / tutorial / OCamlLangImpl5.rst
blob34d2dbb4c4de70003d823e13558c854bdbc6d9ef
1 ==================================================
2 Kaleidoscope: Extending the Language: Control Flow
3 ==================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Chapter 5 Introduction
9 ======================
11 Welcome to Chapter 5 of the "`Implementing a language with
12 LLVM <index.html>`_" tutorial. Parts 1-4 described the implementation of
13 the simple Kaleidoscope language and included support for generating
14 LLVM IR, followed by optimizations and a JIT compiler. Unfortunately, as
15 presented, Kaleidoscope is mostly useless: it has no control flow other
16 than call and return. This means that you can't have conditional
17 branches in the code, significantly limiting its power. In this episode
18 of "build that compiler", we'll extend Kaleidoscope to have an
19 if/then/else expression plus a simple 'for' loop.
21 If/Then/Else
22 ============
24 Extending Kaleidoscope to support if/then/else is quite straightforward.
25 It basically requires adding lexer support for this "new" concept to the
26 lexer, parser, AST, and LLVM code emitter. This example is nice, because
27 it shows how easy it is to "grow" a language over time, incrementally
28 extending it as new ideas are discovered.
30 Before we get going on "how" we add this extension, lets talk about
31 "what" we want. The basic idea is that we want to be able to write this
32 sort of thing:
36     def fib(x)
37       if x < 3 then
38         1
39       else
40         fib(x-1)+fib(x-2);
42 In Kaleidoscope, every construct is an expression: there are no
43 statements. As such, the if/then/else expression needs to return a value
44 like any other. Since we're using a mostly functional form, we'll have
45 it evaluate its conditional, then return the 'then' or 'else' value
46 based on how the condition was resolved. This is very similar to the C
47 "?:" expression.
49 The semantics of the if/then/else expression is that it evaluates the
50 condition to a boolean equality value: 0.0 is considered to be false and
51 everything else is considered to be true. If the condition is true, the
52 first subexpression is evaluated and returned, if the condition is
53 false, the second subexpression is evaluated and returned. Since
54 Kaleidoscope allows side-effects, this behavior is important to nail
55 down.
57 Now that we know what we "want", lets break this down into its
58 constituent pieces.
60 Lexer Extensions for If/Then/Else
61 ---------------------------------
63 The lexer extensions are straightforward. First we add new variants for
64 the relevant tokens:
66 .. code-block:: ocaml
68       (* control *)
69       | If | Then | Else | For | In
71 Once we have that, we recognize the new keywords in the lexer. This is
72 pretty simple stuff:
74 .. code-block:: ocaml
76           ...
77           match Buffer.contents buffer with
78           | "def" -> [< 'Token.Def; stream >]
79           | "extern" -> [< 'Token.Extern; stream >]
80           | "if" -> [< 'Token.If; stream >]
81           | "then" -> [< 'Token.Then; stream >]
82           | "else" -> [< 'Token.Else; stream >]
83           | "for" -> [< 'Token.For; stream >]
84           | "in" -> [< 'Token.In; stream >]
85           | id -> [< 'Token.Ident id; stream >]
87 AST Extensions for If/Then/Else
88 -------------------------------
90 To represent the new expression we add a new AST variant for it:
92 .. code-block:: ocaml
94     type expr =
95       ...
96       (* variant for if/then/else. *)
97       | If of expr * expr * expr
99 The AST variant just has pointers to the various subexpressions.
101 Parser Extensions for If/Then/Else
102 ----------------------------------
104 Now that we have the relevant tokens coming from the lexer and we have
105 the AST node to build, our parsing logic is relatively straightforward.
106 Next we add a new case for parsing a if-expression as a primary expression:
108 .. code-block:: ocaml
110     let rec parse_primary = parser
111       ...
112       (* ifexpr ::= 'if' expr 'then' expr 'else' expr *)
113       | [< 'Token.If; c=parse_expr;
114            'Token.Then ?? "expected 'then'"; t=parse_expr;
115            'Token.Else ?? "expected 'else'"; e=parse_expr >] ->
116           Ast.If (c, t, e)
118 LLVM IR for If/Then/Else
119 ------------------------
121 Now that we have it parsing and building the AST, the final piece is
122 adding LLVM code generation support. This is the most interesting part
123 of the if/then/else example, because this is where it starts to
124 introduce new concepts. All of the code above has been thoroughly
125 described in previous chapters.
127 To motivate the code we want to produce, lets take a look at a simple
128 example. Consider:
132     extern foo();
133     extern bar();
134     def baz(x) if x then foo() else bar();
136 If you disable optimizations, the code you'll (soon) get from
137 Kaleidoscope looks like this:
139 .. code-block:: llvm
141     declare double @foo()
143     declare double @bar()
145     define double @baz(double %x) {
146     entry:
147       %ifcond = fcmp one double %x, 0.000000e+00
148       br i1 %ifcond, label %then, label %else
150     then:    ; preds = %entry
151       %calltmp = call double @foo()
152       br label %ifcont
154     else:    ; preds = %entry
155       %calltmp1 = call double @bar()
156       br label %ifcont
158     ifcont:    ; preds = %else, %then
159       %iftmp = phi double [ %calltmp, %then ], [ %calltmp1, %else ]
160       ret double %iftmp
161     }
163 To visualize the control flow graph, you can use a nifty feature of the
164 LLVM '`opt <http://llvm.org/cmds/opt.html>`_' tool. If you put this LLVM
165 IR into "t.ll" and run "``llvm-as < t.ll | opt -analyze -view-cfg``", `a
166 window will pop up <../ProgrammersManual.html#viewing-graphs-while-debugging-code>`_ and you'll
167 see this graph:
169 .. figure:: MyFirstLanguageFrontend/LangImpl05-cfg.png
170    :align: center
171    :alt: Example CFG
173    Example CFG
175 Another way to get this is to call
176 "``Llvm_analysis.view_function_cfg f``" or
177 "``Llvm_analysis.view_function_cfg_only f``" (where ``f`` is a
178 "``Function``") either by inserting actual calls into the code and
179 recompiling or by calling these in the debugger. LLVM has many nice
180 features for visualizing various graphs.
182 Getting back to the generated code, it is fairly simple: the entry block
183 evaluates the conditional expression ("x" in our case here) and compares
184 the result to 0.0 with the "``fcmp one``" instruction ('one' is "Ordered
185 and Not Equal"). Based on the result of this expression, the code jumps
186 to either the "then" or "else" blocks, which contain the expressions for
187 the true/false cases.
189 Once the then/else blocks are finished executing, they both branch back
190 to the 'ifcont' block to execute the code that happens after the
191 if/then/else. In this case the only thing left to do is to return to the
192 caller of the function. The question then becomes: how does the code
193 know which expression to return?
195 The answer to this question involves an important SSA operation: the
196 `Phi
197 operation <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_.
198 If you're not familiar with SSA, `the wikipedia
199 article <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_
200 is a good introduction and there are various other introductions to it
201 available on your favorite search engine. The short version is that
202 "execution" of the Phi operation requires "remembering" which block
203 control came from. The Phi operation takes on the value corresponding to
204 the input control block. In this case, if control comes in from the
205 "then" block, it gets the value of "calltmp". If control comes from the
206 "else" block, it gets the value of "calltmp1".
208 At this point, you are probably starting to think "Oh no! This means my
209 simple and elegant front-end will have to start generating SSA form in
210 order to use LLVM!". Fortunately, this is not the case, and we strongly
211 advise *not* implementing an SSA construction algorithm in your
212 front-end unless there is an amazingly good reason to do so. In
213 practice, there are two sorts of values that float around in code
214 written for your average imperative programming language that might need
215 Phi nodes:
217 #. Code that involves user variables: ``x = 1; x = x + 1;``
218 #. Values that are implicit in the structure of your AST, such as the
219    Phi node in this case.
221 In `Chapter 7 <OCamlLangImpl7.html>`_ of this tutorial ("mutable
222 variables"), we'll talk about #1 in depth. For now, just believe me that
223 you don't need SSA construction to handle this case. For #2, you have
224 the choice of using the techniques that we will describe for #1, or you
225 can insert Phi nodes directly, if convenient. In this case, it is really
226 really easy to generate the Phi node, so we choose to do it directly.
228 Okay, enough of the motivation and overview, lets generate code!
230 Code Generation for If/Then/Else
231 --------------------------------
233 In order to generate code for this, we implement the ``Codegen`` method
234 for ``IfExprAST``:
236 .. code-block:: ocaml
238     let rec codegen_expr = function
239       ...
240       | Ast.If (cond, then_, else_) ->
241           let cond = codegen_expr cond in
243           (* Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0 *)
244           let zero = const_float double_type 0.0 in
245           let cond_val = build_fcmp Fcmp.One cond zero "ifcond" builder in
247 This code is straightforward and similar to what we saw before. We emit
248 the expression for the condition, then compare that value to zero to get
249 a truth value as a 1-bit (bool) value.
251 .. code-block:: ocaml
253           (* Grab the first block so that we might later add the conditional branch
254            * to it at the end of the function. *)
255           let start_bb = insertion_block builder in
256           let the_function = block_parent start_bb in
258           let then_bb = append_block context "then" the_function in
259           position_at_end then_bb builder;
261 As opposed to the `C++ tutorial <LangImpl05.html>`_, we have to build our
262 basic blocks bottom up since we can't have dangling BasicBlocks. We
263 start off by saving a pointer to the first block (which might not be the
264 entry block), which we'll need to build a conditional branch later. We
265 do this by asking the ``builder`` for the current BasicBlock. The fourth
266 line gets the current Function object that is being built. It gets this
267 by the ``start_bb`` for its "parent" (the function it is currently
268 embedded into).
270 Once it has that, it creates one block. It is automatically appended
271 into the function's list of blocks.
273 .. code-block:: ocaml
275           (* Emit 'then' value. *)
276           position_at_end then_bb builder;
277           let then_val = codegen_expr then_ in
279           (* Codegen of 'then' can change the current block, update then_bb for the
280            * phi. We create a new name because one is used for the phi node, and the
281            * other is used for the conditional branch. *)
282           let new_then_bb = insertion_block builder in
284 We move the builder to start inserting into the "then" block. Strictly
285 speaking, this call moves the insertion point to be at the end of the
286 specified block. However, since the "then" block is empty, it also
287 starts out by inserting at the beginning of the block. :)
289 Once the insertion point is set, we recursively codegen the "then"
290 expression from the AST.
292 The final line here is quite subtle, but is very important. The basic
293 issue is that when we create the Phi node in the merge block, we need to
294 set up the block/value pairs that indicate how the Phi will work.
295 Importantly, the Phi node expects to have an entry for each predecessor
296 of the block in the CFG. Why then, are we getting the current block when
297 we just set it to ThenBB 5 lines above? The problem is that the "Then"
298 expression may actually itself change the block that the Builder is
299 emitting into if, for example, it contains a nested "if/then/else"
300 expression. Because calling Codegen recursively could arbitrarily change
301 the notion of the current block, we are required to get an up-to-date
302 value for code that will set up the Phi node.
304 .. code-block:: ocaml
306           (* Emit 'else' value. *)
307           let else_bb = append_block context "else" the_function in
308           position_at_end else_bb builder;
309           let else_val = codegen_expr else_ in
311           (* Codegen of 'else' can change the current block, update else_bb for the
312            * phi. *)
313           let new_else_bb = insertion_block builder in
315 Code generation for the 'else' block is basically identical to codegen
316 for the 'then' block.
318 .. code-block:: ocaml
320           (* Emit merge block. *)
321           let merge_bb = append_block context "ifcont" the_function in
322           position_at_end merge_bb builder;
323           let incoming = [(then_val, new_then_bb); (else_val, new_else_bb)] in
324           let phi = build_phi incoming "iftmp" builder in
326 The first two lines here are now familiar: the first adds the "merge"
327 block to the Function object. The second changes the insertion
328 point so that newly created code will go into the "merge" block. Once
329 that is done, we need to create the PHI node and set up the block/value
330 pairs for the PHI.
332 .. code-block:: ocaml
334           (* Return to the start block to add the conditional branch. *)
335           position_at_end start_bb builder;
336           ignore (build_cond_br cond_val then_bb else_bb builder);
338 Once the blocks are created, we can emit the conditional branch that
339 chooses between them. Note that creating new blocks does not implicitly
340 affect the IRBuilder, so it is still inserting into the block that the
341 condition went into. This is why we needed to save the "start" block.
343 .. code-block:: ocaml
345           (* Set a unconditional branch at the end of the 'then' block and the
346            * 'else' block to the 'merge' block. *)
347           position_at_end new_then_bb builder; ignore (build_br merge_bb builder);
348           position_at_end new_else_bb builder; ignore (build_br merge_bb builder);
350           (* Finally, set the builder to the end of the merge block. *)
351           position_at_end merge_bb builder;
353           phi
355 To finish off the blocks, we create an unconditional branch to the merge
356 block. One interesting (and very important) aspect of the LLVM IR is
357 that it `requires all basic blocks to be
358 "terminated" <../LangRef.html#functionstructure>`_ with a `control flow
359 instruction <../LangRef.html#terminators>`_ such as return or branch.
360 This means that all control flow, *including fall throughs* must be made
361 explicit in the LLVM IR. If you violate this rule, the verifier will
362 emit an error.
364 Finally, the CodeGen function returns the phi node as the value computed
365 by the if/then/else expression. In our example above, this returned
366 value will feed into the code for the top-level function, which will
367 create the return instruction.
369 Overall, we now have the ability to execute conditional code in
370 Kaleidoscope. With this extension, Kaleidoscope is a fairly complete
371 language that can calculate a wide variety of numeric functions. Next up
372 we'll add another useful expression that is familiar from non-functional
373 languages...
375 'for' Loop Expression
376 =====================
378 Now that we know how to add basic control flow constructs to the
379 language, we have the tools to add more powerful things. Lets add
380 something more aggressive, a 'for' expression:
384      extern putchard(char);
385      def printstar(n)
386        for i = 1, i < n, 1.0 in
387          putchard(42);  # ascii 42 = '*'
389      # print 100 '*' characters
390      printstar(100);
392 This expression defines a new variable ("i" in this case) which iterates
393 from a starting value, while the condition ("i < n" in this case) is
394 true, incrementing by an optional step value ("1.0" in this case). If
395 the step value is omitted, it defaults to 1.0. While the loop is true,
396 it executes its body expression. Because we don't have anything better
397 to return, we'll just define the loop as always returning 0.0. In the
398 future when we have mutable variables, it will get more useful.
400 As before, lets talk about the changes that we need to Kaleidoscope to
401 support this.
403 Lexer Extensions for the 'for' Loop
404 -----------------------------------
406 The lexer extensions are the same sort of thing as for if/then/else:
408 .. code-block:: ocaml
410       ... in Token.token ...
411       (* control *)
412       | If | Then | Else
413       | For | In
415       ... in Lexer.lex_ident...
416           match Buffer.contents buffer with
417           | "def" -> [< 'Token.Def; stream >]
418           | "extern" -> [< 'Token.Extern; stream >]
419           | "if" -> [< 'Token.If; stream >]
420           | "then" -> [< 'Token.Then; stream >]
421           | "else" -> [< 'Token.Else; stream >]
422           | "for" -> [< 'Token.For; stream >]
423           | "in" -> [< 'Token.In; stream >]
424           | id -> [< 'Token.Ident id; stream >]
426 AST Extensions for the 'for' Loop
427 ---------------------------------
429 The AST variant is just as simple. It basically boils down to capturing
430 the variable name and the constituent expressions in the node.
432 .. code-block:: ocaml
434     type expr =
435       ...
436       (* variant for for/in. *)
437       | For of string * expr * expr * expr option * expr
439 Parser Extensions for the 'for' Loop
440 ------------------------------------
442 The parser code is also fairly standard. The only interesting thing here
443 is handling of the optional step value. The parser code handles it by
444 checking to see if the second comma is present. If not, it sets the step
445 value to null in the AST node:
447 .. code-block:: ocaml
449     let rec parse_primary = parser
450       ...
451       (* forexpr
452             ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression *)
453       | [< 'Token.For;
454            'Token.Ident id ?? "expected identifier after for";
455            'Token.Kwd '=' ?? "expected '=' after for";
456            stream >] ->
457           begin parser
458             | [<
459                  start=parse_expr;
460                  'Token.Kwd ',' ?? "expected ',' after for";
461                  end_=parse_expr;
462                  stream >] ->
463                 let step =
464                   begin parser
465                   | [< 'Token.Kwd ','; step=parse_expr >] -> Some step
466                   | [< >] -> None
467                   end stream
468                 in
469                 begin parser
470                 | [< 'Token.In; body=parse_expr >] ->
471                     Ast.For (id, start, end_, step, body)
472                 | [< >] ->
473                     raise (Stream.Error "expected 'in' after for")
474                 end stream
475             | [< >] ->
476                 raise (Stream.Error "expected '=' after for")
477           end stream
479 LLVM IR for the 'for' Loop
480 --------------------------
482 Now we get to the good part: the LLVM IR we want to generate for this
483 thing. With the simple example above, we get this LLVM IR (note that
484 this dump is generated with optimizations disabled for clarity):
486 .. code-block:: llvm
488     declare double @putchard(double)
490     define double @printstar(double %n) {
491     entry:
492             ; initial value = 1.0 (inlined into phi)
493       br label %loop
495     loop:    ; preds = %loop, %entry
496       %i = phi double [ 1.000000e+00, %entry ], [ %nextvar, %loop ]
497             ; body
498       %calltmp = call double @putchard(double 4.200000e+01)
499             ; increment
500       %nextvar = fadd double %i, 1.000000e+00
502             ; termination test
503       %cmptmp = fcmp ult double %i, %n
504       %booltmp = uitofp i1 %cmptmp to double
505       %loopcond = fcmp one double %booltmp, 0.000000e+00
506       br i1 %loopcond, label %loop, label %afterloop
508     afterloop:    ; preds = %loop
509             ; loop always returns 0.0
510       ret double 0.000000e+00
511     }
513 This loop contains all the same constructs we saw before: a phi node,
514 several expressions, and some basic blocks. Lets see how this fits
515 together.
517 Code Generation for the 'for' Loop
518 ----------------------------------
520 The first part of Codegen is very simple: we just output the start
521 expression for the loop value:
523 .. code-block:: ocaml
525     let rec codegen_expr = function
526       ...
527       | Ast.For (var_name, start, end_, step, body) ->
528           (* Emit the start code first, without 'variable' in scope. *)
529           let start_val = codegen_expr start in
531 With this out of the way, the next step is to set up the LLVM basic
532 block for the start of the loop body. In the case above, the whole loop
533 body is one block, but remember that the body code itself could consist
534 of multiple blocks (e.g. if it contains an if/then/else or a for/in
535 expression).
537 .. code-block:: ocaml
539           (* Make the new basic block for the loop header, inserting after current
540            * block. *)
541           let preheader_bb = insertion_block builder in
542           let the_function = block_parent preheader_bb in
543           let loop_bb = append_block context "loop" the_function in
545           (* Insert an explicit fall through from the current block to the
546            * loop_bb. *)
547           ignore (build_br loop_bb builder);
549 This code is similar to what we saw for if/then/else. Because we will
550 need it to create the Phi node, we remember the block that falls through
551 into the loop. Once we have that, we create the actual block that starts
552 the loop and create an unconditional branch for the fall-through between
553 the two blocks.
555 .. code-block:: ocaml
557           (* Start insertion in loop_bb. *)
558           position_at_end loop_bb builder;
560           (* Start the PHI node with an entry for start. *)
561           let variable = build_phi [(start_val, preheader_bb)] var_name builder in
563 Now that the "preheader" for the loop is set up, we switch to emitting
564 code for the loop body. To begin with, we move the insertion point and
565 create the PHI node for the loop induction variable. Since we already
566 know the incoming value for the starting value, we add it to the Phi
567 node. Note that the Phi will eventually get a second value for the
568 backedge, but we can't set it up yet (because it doesn't exist!).
570 .. code-block:: ocaml
572           (* Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node. If it
573            * shadows an existing variable, we have to restore it, so save it
574            * now. *)
575           let old_val =
576             try Some (Hashtbl.find named_values var_name) with Not_found -> None
577           in
578           Hashtbl.add named_values var_name variable;
580           (* Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
581            * current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but
582            * don't allow an error *)
583           ignore (codegen_expr body);
585 Now the code starts to get more interesting. Our 'for' loop introduces a
586 new variable to the symbol table. This means that our symbol table can
587 now contain either function arguments or loop variables. To handle this,
588 before we codegen the body of the loop, we add the loop variable as the
589 current value for its name. Note that it is possible that there is a
590 variable of the same name in the outer scope. It would be easy to make
591 this an error (emit an error and return null if there is already an
592 entry for VarName) but we choose to allow shadowing of variables. In
593 order to handle this correctly, we remember the Value that we are
594 potentially shadowing in ``old_val`` (which will be None if there is no
595 shadowed variable).
597 Once the loop variable is set into the symbol table, the code
598 recursively codegen's the body. This allows the body to use the loop
599 variable: any references to it will naturally find it in the symbol
600 table.
602 .. code-block:: ocaml
604           (* Emit the step value. *)
605           let step_val =
606             match step with
607             | Some step -> codegen_expr step
608             (* If not specified, use 1.0. *)
609             | None -> const_float double_type 1.0
610           in
612           let next_var = build_add variable step_val "nextvar" builder in
614 Now that the body is emitted, we compute the next value of the iteration
615 variable by adding the step value, or 1.0 if it isn't present.
616 '``next_var``' will be the value of the loop variable on the next
617 iteration of the loop.
619 .. code-block:: ocaml
621           (* Compute the end condition. *)
622           let end_cond = codegen_expr end_ in
624           (* Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0. *)
625           let zero = const_float double_type 0.0 in
626           let end_cond = build_fcmp Fcmp.One end_cond zero "loopcond" builder in
628 Finally, we evaluate the exit value of the loop, to determine whether
629 the loop should exit. This mirrors the condition evaluation for the
630 if/then/else statement.
632 .. code-block:: ocaml
634           (* Create the "after loop" block and insert it. *)
635           let loop_end_bb = insertion_block builder in
636           let after_bb = append_block context "afterloop" the_function in
638           (* Insert the conditional branch into the end of loop_end_bb. *)
639           ignore (build_cond_br end_cond loop_bb after_bb builder);
641           (* Any new code will be inserted in after_bb. *)
642           position_at_end after_bb builder;
644 With the code for the body of the loop complete, we just need to finish
645 up the control flow for it. This code remembers the end block (for the
646 phi node), then creates the block for the loop exit ("afterloop"). Based
647 on the value of the exit condition, it creates a conditional branch that
648 chooses between executing the loop again and exiting the loop. Any
649 future code is emitted in the "afterloop" block, so it sets the
650 insertion position to it.
652 .. code-block:: ocaml
654           (* Add a new entry to the PHI node for the backedge. *)
655           add_incoming (next_var, loop_end_bb) variable;
657           (* Restore the unshadowed variable. *)
658           begin match old_val with
659           | Some old_val -> Hashtbl.add named_values var_name old_val
660           | None -> ()
661           end;
663           (* for expr always returns 0.0. *)
664           const_null double_type
666 The final code handles various cleanups: now that we have the
667 "``next_var``" value, we can add the incoming value to the loop PHI
668 node. After that, we remove the loop variable from the symbol table, so
669 that it isn't in scope after the for loop. Finally, code generation of
670 the for loop always returns 0.0, so that is what we return from
671 ``Codegen.codegen_expr``.
673 With this, we conclude the "adding control flow to Kaleidoscope" chapter
674 of the tutorial. In this chapter we added two control flow constructs,
675 and used them to motivate a couple of aspects of the LLVM IR that are
676 important for front-end implementors to know. In the next chapter of our
677 saga, we will get a bit crazier and add `user-defined
678 operators <OCamlLangImpl6.html>`_ to our poor innocent language.
680 Full Code Listing
681 =================
683 Here is the complete code listing for our running example, enhanced with
684 the if/then/else and for expressions.. To build this example, use:
686 .. code-block:: bash
688     # Compile
689     ocamlbuild toy.byte
690     # Run
691     ./toy.byte
693 Here is the code:
695 \_tags:
696     ::
698         <{lexer,parser}.ml>: use_camlp4, pp(camlp4of)
699         <*.{byte,native}>: g++, use_llvm, use_llvm_analysis
700         <*.{byte,native}>: use_llvm_executionengine, use_llvm_target
701         <*.{byte,native}>: use_llvm_scalar_opts, use_bindings
703 myocamlbuild.ml:
704     .. code-block:: ocaml
706         open Ocamlbuild_plugin;;
708         ocaml_lib ~extern:true "llvm";;
709         ocaml_lib ~extern:true "llvm_analysis";;
710         ocaml_lib ~extern:true "llvm_executionengine";;
711         ocaml_lib ~extern:true "llvm_target";;
712         ocaml_lib ~extern:true "llvm_scalar_opts";;
714         flag ["link"; "ocaml"; "g++"] (S[A"-cc"; A"g++"]);;
715         dep ["link"; "ocaml"; "use_bindings"] ["bindings.o"];;
717 token.ml:
718     .. code-block:: ocaml
720         (*===----------------------------------------------------------------------===
721          * Lexer Tokens
722          *===----------------------------------------------------------------------===*)
724         (* The lexer returns these 'Kwd' if it is an unknown character, otherwise one of
725          * these others for known things. *)
726         type token =
727           (* commands *)
728           | Def | Extern
730           (* primary *)
731           | Ident of string | Number of float
733           (* unknown *)
734           | Kwd of char
736           (* control *)
737           | If | Then | Else
738           | For | In
740 lexer.ml:
741     .. code-block:: ocaml
743         (*===----------------------------------------------------------------------===
744          * Lexer
745          *===----------------------------------------------------------------------===*)
747         let rec lex = parser
748           (* Skip any whitespace. *)
749           | [< ' (' ' | '\n' | '\r' | '\t'); stream >] -> lex stream
751           (* identifier: [a-zA-Z][a-zA-Z0-9] *)
752           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' as c); stream >] ->
753               let buffer = Buffer.create 1 in
754               Buffer.add_char buffer c;
755               lex_ident buffer stream
757           (* number: [0-9.]+ *)
758           | [< ' ('0' .. '9' as c); stream >] ->
759               let buffer = Buffer.create 1 in
760               Buffer.add_char buffer c;
761               lex_number buffer stream
763           (* Comment until end of line. *)
764           | [< ' ('#'); stream >] ->
765               lex_comment stream
767           (* Otherwise, just return the character as its ascii value. *)
768           | [< 'c; stream >] ->
769               [< 'Token.Kwd c; lex stream >]
771           (* end of stream. *)
772           | [< >] -> [< >]
774         and lex_number buffer = parser
775           | [< ' ('0' .. '9' | '.' as c); stream >] ->
776               Buffer.add_char buffer c;
777               lex_number buffer stream
778           | [< stream=lex >] ->
779               [< 'Token.Number (float_of_string (Buffer.contents buffer)); stream >]
781         and lex_ident buffer = parser
782           | [< ' ('A' .. 'Z' | 'a' .. 'z' | '0' .. '9' as c); stream >] ->
783               Buffer.add_char buffer c;
784               lex_ident buffer stream
785           | [< stream=lex >] ->
786               match Buffer.contents buffer with
787               | "def" -> [< 'Token.Def; stream >]
788               | "extern" -> [< 'Token.Extern; stream >]
789               | "if" -> [< 'Token.If; stream >]
790               | "then" -> [< 'Token.Then; stream >]
791               | "else" -> [< 'Token.Else; stream >]
792               | "for" -> [< 'Token.For; stream >]
793               | "in" -> [< 'Token.In; stream >]
794               | id -> [< 'Token.Ident id; stream >]
796         and lex_comment = parser
797           | [< ' ('\n'); stream=lex >] -> stream
798           | [< 'c; e=lex_comment >] -> e
799           | [< >] -> [< >]
801 ast.ml:
802     .. code-block:: ocaml
804         (*===----------------------------------------------------------------------===
805          * Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
806          *===----------------------------------------------------------------------===*)
808         (* expr - Base type for all expression nodes. *)
809         type expr =
810           (* variant for numeric literals like "1.0". *)
811           | Number of float
813           (* variant for referencing a variable, like "a". *)
814           | Variable of string
816           (* variant for a binary operator. *)
817           | Binary of char * expr * expr
819           (* variant for function calls. *)
820           | Call of string * expr array
822           (* variant for if/then/else. *)
823           | If of expr * expr * expr
825           (* variant for for/in. *)
826           | For of string * expr * expr * expr option * expr
828         (* proto - This type represents the "prototype" for a function, which captures
829          * its name, and its argument names (thus implicitly the number of arguments the
830          * function takes). *)
831         type proto = Prototype of string * string array
833         (* func - This type represents a function definition itself. *)
834         type func = Function of proto * expr
836 parser.ml:
837     .. code-block:: ocaml
839         (*===---------------------------------------------------------------------===
840          * Parser
841          *===---------------------------------------------------------------------===*)
843         (* binop_precedence - This holds the precedence for each binary operator that is
844          * defined *)
845         let binop_precedence:(char, int) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
847         (* precedence - Get the precedence of the pending binary operator token. *)
848         let precedence c = try Hashtbl.find binop_precedence c with Not_found -> -1
850         (* primary
851          *   ::= identifier
852          *   ::= numberexpr
853          *   ::= parenexpr
854          *   ::= ifexpr
855          *   ::= forexpr *)
856         let rec parse_primary = parser
857           (* numberexpr ::= number *)
858           | [< 'Token.Number n >] -> Ast.Number n
860           (* parenexpr ::= '(' expression ')' *)
861           | [< 'Token.Kwd '('; e=parse_expr; 'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'" >] -> e
863           (* identifierexpr
864            *   ::= identifier
865            *   ::= identifier '(' argumentexpr ')' *)
866           | [< 'Token.Ident id; stream >] ->
867               let rec parse_args accumulator = parser
868                 | [< e=parse_expr; stream >] ->
869                     begin parser
870                       | [< 'Token.Kwd ','; e=parse_args (e :: accumulator) >] -> e
871                       | [< >] -> e :: accumulator
872                     end stream
873                 | [< >] -> accumulator
874               in
875               let rec parse_ident id = parser
876                 (* Call. *)
877                 | [< 'Token.Kwd '(';
878                      args=parse_args [];
879                      'Token.Kwd ')' ?? "expected ')'">] ->
880                     Ast.Call (id, Array.of_list (List.rev args))
882                 (* Simple variable ref. *)
883                 | [< >] -> Ast.Variable id
884               in
885               parse_ident id stream
887           (* ifexpr ::= 'if' expr 'then' expr 'else' expr *)
888           | [< 'Token.If; c=parse_expr;
889                'Token.Then ?? "expected 'then'"; t=parse_expr;
890                'Token.Else ?? "expected 'else'"; e=parse_expr >] ->
891               Ast.If (c, t, e)
893           (* forexpr
894                 ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression *)
895           | [< 'Token.For;
896                'Token.Ident id ?? "expected identifier after for";
897                'Token.Kwd '=' ?? "expected '=' after for";
898                stream >] ->
899               begin parser
900                 | [<
901                      start=parse_expr;
902                      'Token.Kwd ',' ?? "expected ',' after for";
903                      end_=parse_expr;
904                      stream >] ->
905                     let step =
906                       begin parser
907                       | [< 'Token.Kwd ','; step=parse_expr >] -> Some step
908                       | [< >] -> None
909                       end stream
910                     in
911                     begin parser
912                     | [< 'Token.In; body=parse_expr >] ->
913                         Ast.For (id, start, end_, step, body)
914                     | [< >] ->
915                         raise (Stream.Error "expected 'in' after for")
916                     end stream
917                 | [< >] ->
918                     raise (Stream.Error "expected '=' after for")
919               end stream
921           | [< >] -> raise (Stream.Error "unknown token when expecting an expression.")
923         (* binoprhs
924          *   ::= ('+' primary)* *)
925         and parse_bin_rhs expr_prec lhs stream =
926           match Stream.peek stream with
927           (* If this is a binop, find its precedence. *)
928           | Some (Token.Kwd c) when Hashtbl.mem binop_precedence c ->
929               let token_prec = precedence c in
931               (* If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
932                * consume it, otherwise we are done. *)
933               if token_prec < expr_prec then lhs else begin
934                 (* Eat the binop. *)
935                 Stream.junk stream;
937                 (* Parse the primary expression after the binary operator. *)
938                 let rhs = parse_primary stream in
940                 (* Okay, we know this is a binop. *)
941                 let rhs =
942                   match Stream.peek stream with
943                   | Some (Token.Kwd c2) ->
944                       (* If BinOp binds less tightly with rhs than the operator after
945                        * rhs, let the pending operator take rhs as its lhs. *)
946                       let next_prec = precedence c2 in
947                       if token_prec < next_prec
948                       then parse_bin_rhs (token_prec + 1) rhs stream
949                       else rhs
950                   | _ -> rhs
951                 in
953                 (* Merge lhs/rhs. *)
954                 let lhs = Ast.Binary (c, lhs, rhs) in
955                 parse_bin_rhs expr_prec lhs stream
956               end
957           | _ -> lhs
959         (* expression
960          *   ::= primary binoprhs *)
961         and parse_expr = parser
962           | [< lhs=parse_primary; stream >] -> parse_bin_rhs 0 lhs stream
964         (* prototype
965          *   ::= id '(' id* ')' *)
966         let parse_prototype =
967           let rec parse_args accumulator = parser
968             | [< 'Token.Ident id; e=parse_args (id::accumulator) >] -> e
969             | [< >] -> accumulator
970           in
972           parser
973           | [< 'Token.Ident id;
974                'Token.Kwd '(' ?? "expected '(' in prototype";
975                args=parse_args [];
976                'Token.Kwd ')' ?? "expected ')' in prototype" >] ->
977               (* success. *)
978               Ast.Prototype (id, Array.of_list (List.rev args))
980           | [< >] ->
981               raise (Stream.Error "expected function name in prototype")
983         (* definition ::= 'def' prototype expression *)
984         let parse_definition = parser
985           | [< 'Token.Def; p=parse_prototype; e=parse_expr >] ->
986               Ast.Function (p, e)
988         (* toplevelexpr ::= expression *)
989         let parse_toplevel = parser
990           | [< e=parse_expr >] ->
991               (* Make an anonymous proto. *)
992               Ast.Function (Ast.Prototype ("", [||]), e)
994         (*  external ::= 'extern' prototype *)
995         let parse_extern = parser
996           | [< 'Token.Extern; e=parse_prototype >] -> e
998 codegen.ml:
999     .. code-block:: ocaml
1001         (*===----------------------------------------------------------------------===
1002          * Code Generation
1003          *===----------------------------------------------------------------------===*)
1005         open Llvm
1007         exception Error of string
1009         let context = global_context ()
1010         let the_module = create_module context "my cool jit"
1011         let builder = builder context
1012         let named_values:(string, llvalue) Hashtbl.t = Hashtbl.create 10
1013         let double_type = double_type context
1015         let rec codegen_expr = function
1016           | Ast.Number n -> const_float double_type n
1017           | Ast.Variable name ->
1018               (try Hashtbl.find named_values name with
1019                 | Not_found -> raise (Error "unknown variable name"))
1020           | Ast.Binary (op, lhs, rhs) ->
1021               let lhs_val = codegen_expr lhs in
1022               let rhs_val = codegen_expr rhs in
1023               begin
1024                 match op with
1025                 | '+' -> build_add lhs_val rhs_val "addtmp" builder
1026                 | '-' -> build_sub lhs_val rhs_val "subtmp" builder
1027                 | '*' -> build_mul lhs_val rhs_val "multmp" builder
1028                 | '<' ->
1029                     (* Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0 *)
1030                     let i = build_fcmp Fcmp.Ult lhs_val rhs_val "cmptmp" builder in
1031                     build_uitofp i double_type "booltmp" builder
1032                 | _ -> raise (Error "invalid binary operator")
1033               end
1034           | Ast.Call (callee, args) ->
1035               (* Look up the name in the module table. *)
1036               let callee =
1037                 match lookup_function callee the_module with
1038                 | Some callee -> callee
1039                 | None -> raise (Error "unknown function referenced")
1040               in
1041               let params = params callee in
1043               (* If argument mismatch error. *)
1044               if Array.length params == Array.length args then () else
1045                 raise (Error "incorrect # arguments passed");
1046               let args = Array.map codegen_expr args in
1047               build_call callee args "calltmp" builder
1048           | Ast.If (cond, then_, else_) ->
1049               let cond = codegen_expr cond in
1051               (* Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0 *)
1052               let zero = const_float double_type 0.0 in
1053               let cond_val = build_fcmp Fcmp.One cond zero "ifcond" builder in
1055               (* Grab the first block so that we might later add the conditional branch
1056                * to it at the end of the function. *)
1057               let start_bb = insertion_block builder in
1058               let the_function = block_parent start_bb in
1060               let then_bb = append_block context "then" the_function in
1062               (* Emit 'then' value. *)
1063               position_at_end then_bb builder;
1064               let then_val = codegen_expr then_ in
1066               (* Codegen of 'then' can change the current block, update then_bb for the
1067                * phi. We create a new name because one is used for the phi node, and the
1068                * other is used for the conditional branch. *)
1069               let new_then_bb = insertion_block builder in
1071               (* Emit 'else' value. *)
1072               let else_bb = append_block context "else" the_function in
1073               position_at_end else_bb builder;
1074               let else_val = codegen_expr else_ in
1076               (* Codegen of 'else' can change the current block, update else_bb for the
1077                * phi. *)
1078               let new_else_bb = insertion_block builder in
1080               (* Emit merge block. *)
1081               let merge_bb = append_block context "ifcont" the_function in
1082               position_at_end merge_bb builder;
1083               let incoming = [(then_val, new_then_bb); (else_val, new_else_bb)] in
1084               let phi = build_phi incoming "iftmp" builder in
1086               (* Return to the start block to add the conditional branch. *)
1087               position_at_end start_bb builder;
1088               ignore (build_cond_br cond_val then_bb else_bb builder);
1090               (* Set a unconditional branch at the end of the 'then' block and the
1091                * 'else' block to the 'merge' block. *)
1092               position_at_end new_then_bb builder; ignore (build_br merge_bb builder);
1093               position_at_end new_else_bb builder; ignore (build_br merge_bb builder);
1095               (* Finally, set the builder to the end of the merge block. *)
1096               position_at_end merge_bb builder;
1098               phi
1099           | Ast.For (var_name, start, end_, step, body) ->
1100               (* Emit the start code first, without 'variable' in scope. *)
1101               let start_val = codegen_expr start in
1103               (* Make the new basic block for the loop header, inserting after current
1104                * block. *)
1105               let preheader_bb = insertion_block builder in
1106               let the_function = block_parent preheader_bb in
1107               let loop_bb = append_block context "loop" the_function in
1109               (* Insert an explicit fall through from the current block to the
1110                * loop_bb. *)
1111               ignore (build_br loop_bb builder);
1113               (* Start insertion in loop_bb. *)
1114               position_at_end loop_bb builder;
1116               (* Start the PHI node with an entry for start. *)
1117               let variable = build_phi [(start_val, preheader_bb)] var_name builder in
1119               (* Within the loop, the variable is defined equal to the PHI node. If it
1120                * shadows an existing variable, we have to restore it, so save it
1121                * now. *)
1122               let old_val =
1123                 try Some (Hashtbl.find named_values var_name) with Not_found -> None
1124               in
1125               Hashtbl.add named_values var_name variable;
1127               (* Emit the body of the loop.  This, like any other expr, can change the
1128                * current BB.  Note that we ignore the value computed by the body, but
1129                * don't allow an error *)
1130               ignore (codegen_expr body);
1132               (* Emit the step value. *)
1133               let step_val =
1134                 match step with
1135                 | Some step -> codegen_expr step
1136                 (* If not specified, use 1.0. *)
1137                 | None -> const_float double_type 1.0
1138               in
1140               let next_var = build_add variable step_val "nextvar" builder in
1142               (* Compute the end condition. *)
1143               let end_cond = codegen_expr end_ in
1145               (* Convert condition to a bool by comparing equal to 0.0. *)
1146               let zero = const_float double_type 0.0 in
1147               let end_cond = build_fcmp Fcmp.One end_cond zero "loopcond" builder in
1149               (* Create the "after loop" block and insert it. *)
1150               let loop_end_bb = insertion_block builder in
1151               let after_bb = append_block context "afterloop" the_function in
1153               (* Insert the conditional branch into the end of loop_end_bb. *)
1154               ignore (build_cond_br end_cond loop_bb after_bb builder);
1156               (* Any new code will be inserted in after_bb. *)
1157               position_at_end after_bb builder;
1159               (* Add a new entry to the PHI node for the backedge. *)
1160               add_incoming (next_var, loop_end_bb) variable;
1162               (* Restore the unshadowed variable. *)
1163               begin match old_val with
1164               | Some old_val -> Hashtbl.add named_values var_name old_val
1165               | None -> ()
1166               end;
1168               (* for expr always returns 0.0. *)
1169               const_null double_type
1171         let codegen_proto = function
1172           | Ast.Prototype (name, args) ->
1173               (* Make the function type: double(double,double) etc. *)
1174               let doubles = Array.make (Array.length args) double_type in
1175               let ft = function_type double_type doubles in
1176               let f =
1177                 match lookup_function name the_module with
1178                 | None -> declare_function name ft the_module
1180                 (* If 'f' conflicted, there was already something named 'name'. If it
1181                  * has a body, don't allow redefinition or reextern. *)
1182                 | Some f ->
1183                     (* If 'f' already has a body, reject this. *)
1184                     if block_begin f <> At_end f then
1185                       raise (Error "redefinition of function");
1187                     (* If 'f' took a different number of arguments, reject. *)
1188                     if element_type (type_of f) <> ft then
1189                       raise (Error "redefinition of function with different # args");
1190                     f
1191               in
1193               (* Set names for all arguments. *)
1194               Array.iteri (fun i a ->
1195                 let n = args.(i) in
1196                 set_value_name n a;
1197                 Hashtbl.add named_values n a;
1198               ) (params f);
1199               f
1201         let codegen_func the_fpm = function
1202           | Ast.Function (proto, body) ->
1203               Hashtbl.clear named_values;
1204               let the_function = codegen_proto proto in
1206               (* Create a new basic block to start insertion into. *)
1207               let bb = append_block context "entry" the_function in
1208               position_at_end bb builder;
1210               try
1211                 let ret_val = codegen_expr body in
1213                 (* Finish off the function. *)
1214                 let _ = build_ret ret_val builder in
1216                 (* Validate the generated code, checking for consistency. *)
1217                 Llvm_analysis.assert_valid_function the_function;
1219                 (* Optimize the function. *)
1220                 let _ = PassManager.run_function the_function the_fpm in
1222                 the_function
1223               with e ->
1224                 delete_function the_function;
1225                 raise e
1227 toplevel.ml:
1228     .. code-block:: ocaml
1230         (*===----------------------------------------------------------------------===
1231          * Top-Level parsing and JIT Driver
1232          *===----------------------------------------------------------------------===*)
1234         open Llvm
1235         open Llvm_executionengine
1237         (* top ::= definition | external | expression | ';' *)
1238         let rec main_loop the_fpm the_execution_engine stream =
1239           match Stream.peek stream with
1240           | None -> ()
1242           (* ignore top-level semicolons. *)
1243           | Some (Token.Kwd ';') ->
1244               Stream.junk stream;
1245               main_loop the_fpm the_execution_engine stream
1247           | Some token ->
1248               begin
1249                 try match token with
1250                 | Token.Def ->
1251                     let e = Parser.parse_definition stream in
1252                     print_endline "parsed a function definition.";
1253                     dump_value (Codegen.codegen_func the_fpm e);
1254                 | Token.Extern ->
1255                     let e = Parser.parse_extern stream in
1256                     print_endline "parsed an extern.";
1257                     dump_value (Codegen.codegen_proto e);
1258                 | _ ->
1259                     (* Evaluate a top-level expression into an anonymous function. *)
1260                     let e = Parser.parse_toplevel stream in
1261                     print_endline "parsed a top-level expr";
1262                     let the_function = Codegen.codegen_func the_fpm e in
1263                     dump_value the_function;
1265                     (* JIT the function, returning a function pointer. *)
1266                     let result = ExecutionEngine.run_function the_function [||]
1267                       the_execution_engine in
1269                     print_string "Evaluated to ";
1270                     print_float (GenericValue.as_float Codegen.double_type result);
1271                     print_newline ();
1272                 with Stream.Error s | Codegen.Error s ->
1273                   (* Skip token for error recovery. *)
1274                   Stream.junk stream;
1275                   print_endline s;
1276               end;
1277               print_string "ready> "; flush stdout;
1278               main_loop the_fpm the_execution_engine stream
1280 toy.ml:
1281     .. code-block:: ocaml
1283         (*===----------------------------------------------------------------------===
1284          * Main driver code.
1285          *===----------------------------------------------------------------------===*)
1287         open Llvm
1288         open Llvm_executionengine
1289         open Llvm_target
1290         open Llvm_scalar_opts
1292         let main () =
1293           ignore (initialize_native_target ());
1295           (* Install standard binary operators.
1296            * 1 is the lowest precedence. *)
1297           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '<' 10;
1298           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '+' 20;
1299           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '-' 20;
1300           Hashtbl.add Parser.binop_precedence '*' 40;    (* highest. *)
1302           (* Prime the first token. *)
1303           print_string "ready> "; flush stdout;
1304           let stream = Lexer.lex (Stream.of_channel stdin) in
1306           (* Create the JIT. *)
1307           let the_execution_engine = ExecutionEngine.create Codegen.the_module in
1308           let the_fpm = PassManager.create_function Codegen.the_module in
1310           (* Set up the optimizer pipeline.  Start with registering info about how the
1311            * target lays out data structures. *)
1312           DataLayout.add (ExecutionEngine.target_data the_execution_engine) the_fpm;
1314           (* Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzn. *)
1315           add_instruction_combination the_fpm;
1317           (* reassociate expressions. *)
1318           add_reassociation the_fpm;
1320           (* Eliminate Common SubExpressions. *)
1321           add_gvn the_fpm;
1323           (* Simplify the control flow graph (deleting unreachable blocks, etc). *)
1324           add_cfg_simplification the_fpm;
1326           ignore (PassManager.initialize the_fpm);
1328           (* Run the main "interpreter loop" now. *)
1329           Toplevel.main_loop the_fpm the_execution_engine stream;
1331           (* Print out all the generated code. *)
1332           dump_module Codegen.the_module
1333         ;;
1335         main ()
1337 bindings.c
1338     .. code-block:: c
1340         #include <stdio.h>
1342         /* putchard - putchar that takes a double and returns 0. */
1343         extern double putchard(double X) {
1344           putchar((char)X);
1345           return 0;
1346         }
1348 `Next: Extending the language: user-defined
1349 operators <OCamlLangImpl6.html>`_