LLVMを䜿甚したプログラミング蚀語の䜜成。 パヌト6蚀語拡匵ナヌザヌ定矩挔算子

目次
パヌト1はじめにず字句解析
パヌト2パヌサヌずASTの実装
パヌト3LLVM IRコヌド生成
パヌト4JITおよびオプティマむザヌサポヌトの远加
パヌト5蚀語拡匵制埡フロヌ
パヌト6蚀語拡匵ナヌザヌ定矩挔算子
パヌト7蚀語拡匵可倉倉数
パヌト8オブゞェクトコヌドぞのコンパむル
パヌト9デバッグ情報の远加
パヌト10結論ずその他のLLVMの利点



6.1。 はじめに


ガむド「LLVMを䜿甚したプログラミング蚀語の䜜成」の第6章にようこそ。 この時点で、最小限ではありたすが、それでも䟿利な完党に機胜する蚀語ができたした。 しかし、ただ1぀の問題がありたした。 この蚀語には有甚な挔算子はほずんどありたせんたずえば、「より小さい」比范挔算子を陀いお、陀算、論理吊定、および比范さえありたせん。

私たちの蚀語である䞇華鏡はシンプルで矎しいものですが、この章ではこれらの原則から逞脱しおいたす。 リトリヌトは、シンプルであるがい、なんらかの方法で、しかし匷力な蚀語を取埗するこずです。 独自の蚀語を䜜成するこずの玠晎らしい点の1぀は、䜕が良いか、䜕が悪いかを決めるこずです。 このガむドでは、これは正垞であり、いく぀かの興味深い解析手法を瀺すこずを決定したした。

この章の最埌では、倚くのマンデルブロを衚瀺する䞇華鏡のサンプルアプリケヌションを芋おいきたす。 これは、䞇華鏡蚀語ずその機胜セットでできるこずの䟋です。

6.2。 ナヌザヌ定矩の挔算子重芁な考え方


Kaleidoscopeで導入する「挔算子のオヌバヌロヌド」は、C ++などの蚀語よりも䞀般化されおいたす。 C ++では、既存の挔算子のみを再定矩できたす。プログラムで構文を倉曎したり、新しい挔算子を導入したり、優先床レベルを倉曎したりするこずはできたせん。 この章では、これらすべおの機胜をKaleidoscopeに远加したす。これにより、ナヌザヌはサポヌトされおいるオペレヌタヌのセットを自分で決定できたす。

このガむドでナヌザヌ定矩挔算子を芋る目的は、「ネむティブ」パヌサヌを䜿甚するこずの胜力ず柔軟性を瀺すこずです。 私たちが行ったパヌサヌは、ほずんどの文法で再垰䞋降を䜿甚し、匏の優先順䜍を持぀構文解析挔算子を䜿甚したす パヌト2を参照。 優先順䜍付きの構文解析挔算子を䜿甚するず、プログラマヌが新しい挔算子を文法に簡単に導入できたす。JITを実行するず、文法が動的に拡匵されたす。

远加する2぀の特定の機胜は、単項挔算子珟圚、Kaleidoscopeには単項挔算子がありたせんず二項挔算子です。 䟋

#   . def unary!(v) if v then 0 else 1; #  >    ,   <. def binary> 10 (LHS RHS) RHS < LHS; #   " " def binary| 5 (LHS RHS) if LHS then 1 else if RHS then 1 else 0; #  =     ,  . def binary= 9 (LHS RHS) !(LHS < RHS | LHS > RHS); 

倚くの蚀語は、蚀語自䜓に暙準ラむブラリの機胜を実装しようずしおいたす。 カレむドスコヌプ蚀語では、ラむブラリの圢で蚀語の重芁な郚分を実装できたす

これらの機胜の実装は、カスタムバむナリ挔算子ず単項挔算子のサポヌトの実装ずいう2぀の郚分に分割したす。

6.3。 ナヌザヌ定矩の二項挔算子


フレヌムワヌクにナヌザヌ定矩のバむナリ挔算子のサポヌトを远加するのは非垞に簡単です。 たず、キヌワヌド「単項」および「バむナリ」のサポヌトを远加したす。

 enum Token { ... // operators tok_binary = -11, tok_unary = -12 }; ... static int gettok() { ... if (IdentifierStr == "for") return tok_for; if (IdentifierStr == "in") return tok_in; if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary; if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary; return tok_identifier; 

このコヌドは、前の郚分で行った方法ず同様に、「単項」および「バむナリ」キヌワヌドのサポヌトを字句アナラむザに远加したす。 AST実装の良い点の1぀は、ASCIIコヌドをオペコヌドずしお䜿甚しお、バむナリ挔算子を完党に䞀般化したものずしお提瀺するこずです。 远加の挔算子に぀いおは、同じ衚珟を䜿甚したす。ASTやパヌサヌからの远加サポヌトは必芁ありたせん。

䞀方、これらの新しい挔算子の定矩を関数定矩ずしお衚すこずができたす。 文法では、関数の定矩の「名前」は関数プロトタむプの出力ずしお解析され、PrototypeAST型のASTノヌドになりたす。 新しいナヌザヌ定矩挔算子をプロトタむプずしお提瀺するには、PrototypeASTノヌドを次のように拡匵する必芁がありたす。

 /// PrototypeAST -    ""  ///       class PrototypeAST { std::string Name; std::vector<std::string> Args; bool IsOperator; unsigned Precedence; //    public: PrototypeAST(const std::string &name, std::vector<std::string> Args, bool IsOperator = false, unsigned Prec = 0) : Name(name), Args(std::move(Args)), IsOperator(IsOperator), Precedence(Prec) {} Function *codegen(); const std::string &getName() const { return Name; } bool isUnaryOp() const { return IsOperator && Args.size() == 1; } bool isBinaryOp() const { return IsOperator && Args.size() == 2; } char getOperatorName() const { assert(isUnaryOp() || isBinaryOp()); return Name[Name.size() - 1]; } unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; } }; 

䞀番䞋の行は、よく知られたプロトタむプの名前に加えお、それが挔算子であったかどうか、もしそうなら、それがどの優先床レベルであるかに関する情報も保存するずいうこずです。 優先床レベルは二項挔算子にのみ䜿甚されたす埌で説明したすが、単項挔算子には適甚されたせん。 これで、ナヌザヌオペレヌタヌのプロトタむプを衚す方法ができたした。これを解析できるようにする必芁がありたす。

 ///  /// ::= id '(' id* ')' /// ::= binary LETTER number? (id, id) static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParsePrototype() { std::string FnName; unsigned Kind = 0; // 0 = , 1 =  , 2 =   unsigned BinaryPrecedence = 30; switch (CurTok) { default: return LogErrorP("Expected function name in prototype"); case tok_identifier: FnName = IdentifierStr; Kind = 0; getNextToken(); break; case tok_binary: getNextToken(); if (!isascii(CurTok)) return LogErrorP("Expected binary operator"); FnName = "binary"; FnName += (char)CurTok; Kind = 2; getNextToken(); //  ,    if (CurTok == tok_number) { if (NumVal < 1 || NumVal > 100) return LogErrorP("Invalid precedence: must be 1..100"); BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal; getNextToken(); } break; } if (CurTok != '(') return LogErrorP("Expected '(' in prototype"); std::vector<std::string> ArgNames; while (getNextToken() == tok_identifier) ArgNames.push_back(IdentifierStr); if (CurTok != ')') return LogErrorP("Expected ')' in prototype"); // . getNextToken(); //  ')'. // ,     if (Kind && ArgNames.size() != Kind) return LogErrorP("Invalid number of operands for operator"); return llvm::make_unique<PrototypeAST>(FnName, std::move(ArgNames), Kind != 0, BinaryPrecedence); } 

かなり簡単な構文解析コヌドで、以前にも同様のコヌドをたくさん芋たした。 このコヌドの興味深い郚分の1぀は、FnNameが2項挔算子に割り圓おられおいる2、3行です。 ナヌザヌ挔算子「@」の堎合、プロトタむプには「binary @」ずいう名前が付けられたす。 LLVMシンボルテヌブルのシンボル名にヌルを含む任意の文字を䜿甚できるずいう事実の利点をここに瀺したす。
次に远加する興味深いこずは、バむナリ挔算子のコヌド生成サポヌトです。 既存の構造では、これは単に既存のバむナリ挔算子ノヌドに「デフォルト」を远加するだけです。

 Value *BinaryExprAST::codegen() { Value *L = LHS->codegen(); Value *R = RHS->codegen(); if (!L || !R) return nullptr; switch (Op) { case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp"); case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp"); case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp"); case '<': L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp"); //  bool 0/1  double 0.0  1.0 return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(TheContext), "booltmp"); default: break; } //      ,   .  //    . Function *F = getFunction(std::string("binary") + Op); assert(F && "binary operator not found!"); Value *Ops[2] = { L, R }; return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop"); } 

䞊蚘でわかるように、新しいコヌドは非垞に単玔です。 シンボルテヌブルで適切なステヌトメントを芋぀けお、それに察する関数呌び出しを生成したす。 ナヌザヌ文は通垞の関数ず同様に実装されるため、すべおが適切に配眮されたす。

必芁な最埌のコヌドは、高レベルの魔法です。

 Function *FunctionAST::codegen() { //     FunctionProtos map,   //    . auto &P = *Proto; FunctionProtos[Proto->getName()] = std::move(Proto); Function *TheFunction = getFunction(P.getName()); if (!TheFunction) return nullptr; //  ,  . if (P.isBinaryOp()) BinopPrecedence[P.getOperatorName()] = P.getBinaryPrecedence(); //       . BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(TheContext, "entry", TheFunction); ... 

関数コヌドを生成する前に、それがナヌザヌ定矩の挔算子である堎合、優先床テヌブルに登録したす。 これにより、すでにあるバむナリ挔算子の解析ロゞックが挔算子を凊理できたす。 挔算子の優先順䜍を持぀完党に䞀般化されたパヌサヌを開発しおいるため、文法を拡匵する必芁がありたす。
ナヌザヌ定矩の二項挔算子ができたした。 これらは䞻に、他のオペレヌタヌ向けに䜜成したフレヌムワヌクに基づいお構築されおいたす。 単項挔算子の远加はもう少し耇雑になりたす。これにはただフレヌムワヌクがないためです。 方法を芋おみたしょう。

6.4。 ナヌザヌ定矩の単項挔算子


Kaleidoscope蚀語の単項挔算子はただサポヌトされおいないため、サポヌトを远加する必芁がありたす。 䞊蚘では、字句アナラむザに「単項」キヌワヌドの簡単なサポヌトを远加したした。 次に、ASTノヌドが必芁です。

 /// UnaryExprAST -      class UnaryExprAST : public ExprAST { char Opcode; std::unique_ptr<ExprAST> Operand; public: UnaryExprAST(char Opcode, std::unique_ptr<ExprAST> Operand) : Opcode(Opcode), Operand(std::move(Operand)) {} Value *codegen() override; }; 

ASTノヌドは非垞にシンプルで明癜です。 子が1぀あるこずを陀けば、2項挔算子のASTノヌドに䌌おいたす。 次に、解析ロゞックを远加する必芁がありたす。 単項挔算子の解析は非垞に簡単です。これを行う関数を远加したす。

 /// unary /// ::= primary /// ::= '!' unary static std::unique_ptr<ExprAST> ParseUnary() { //      ,     if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',') return ParsePrimary(); //    ,   int Opc = CurTok; getNextToken(); if (auto Operand = ParseUnary()) return llvm::make_unique<UnaryExprAST>(Opc, std::move(Operand)); return nullptr; } 

ここで远加した文法は非垞に単玔です。 プラむマリ挔算子を解析するずきに単項挔算子が芋぀かった堎合、この挔算子をプレフィックスずしお䜿甚し、残りの郚分を別の単項挔算子ずしお解析したす。 これにより、耇数の単項挔算子「!! x」などを凊理できたす。 単項挔算子は、二項挔算子のように曖昧な解析を行うこずができず、優先床情報を必芁ずしないこずに泚意しおください。
この関数の問題は、どこからでもParseUnaryを呌び出す必芁がある堎合があるこずです。 これを行うには、ParsePrimaryの以前の呌び出しをParseUnaryに眮き換えたす。

 /// binoprhs /// ::= ('+' unary)* static std::unique_ptr<ExprAST> ParseBinOpRHS(int ExprPrec, std::unique_ptr<ExprAST> LHS) { ... //       auto RHS = ParseUnary(); if (!RHS) return nullptr; ... } ///  /// ::= unary binoprhs /// static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression() { auto LHS = ParseUnary(); if (!LHS) return nullptr; return ParseBinOpRHS(0, std::move(LHS)); } 

これら2぀の簡単な倉曎により、単項挔算子を解析し、それらのASTを構築できるようになりたした。 次に、プロトタむプのパヌサヌサポヌトを远加しお、単項挔算子のプロトタむプを解析する必芁がありたす。 䞊蚘のバむナリ挔算子コヌドを次のように拡匵したす。

 /// prototype /// ::= id '(' id* ')' /// ::= binary LETTER number? (id, id) /// ::= unary LETTER (id) static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParsePrototype() { std::string FnName; unsigned Kind = 0; // 0 = identifier, 1 = unary, 2 = binary. unsigned BinaryPrecedence = 30; switch (CurTok) { default: return LogErrorP("Expected function name in prototype"); case tok_identifier: FnName = IdentifierStr; Kind = 0; getNextToken(); break; case tok_unary: getNextToken(); if (!isascii(CurTok)) return LogErrorP("Expected unary operator"); FnName = "unary"; FnName += (char)CurTok; Kind = 1; getNextToken(); break; case tok_binary: ... 

二項挔算子ず同様に、単項挔算子を挔算子蚘号を含む名前ず呌びたす。 これは、コヌドを生成するずきに圹立ちたす。 次に、単項挔算子のコヌド生成サポヌトを远加する必芁がありたす。 次のようになりたす。

 Value *UnaryExprAST::codegen() { Value *OperandV = Operand->codegen(); if (!OperandV) return nullptr; Function *F = getFunction(std::string("unary") + Opcode); if (!F) return LogErrorV("Unknown unary operator"); return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop"); } 

コヌドはバむナリ挔算子の実装に䌌おいたすが、䞻に優先床のサポヌトを必芁ずしないため、よりシンプルです。

6.5。 タむダを蹎る


信じがたいですが、最埌の郚分で説明したいく぀かの簡単な拡匵機胜を導入するこずで、実際の蚀語を成長させたした。 I / O、数孊、その他倚くのこずを含む、倚くの興味深いこずができたす。 たずえば、シヌケンス挔算子を入力できたすprintd関数は匕数の倀を衚瀺し、文字列を翻蚳したす

 ready> extern printd(x); Read extern: declare double @printd(double) ready> def binary : 1 (xy) 0; #  ,    ... ready> printd(123) : printd(456) : printd(789); 123.000000 456.000000 789.000000 Evaluated to 0.000000 

たた、次のような倚くの「単玔な」挔算子を定矩するこずもできたす。

 #    def unary!(v) if v then 0 else 1; #  . def unary-(v) 0-v; #  >    ,   <. def binary> 10 (LHS RHS) RHS < LHS; #   "" def binary| 5 (LHS RHS) if LHS then 1 else if RHS then 1 else 0; #   "" def binary& 6 (LHS RHS) if !LHS then 0 else !!RHS; #  =    ,   def binary = 9 (LHS RHS) !(LHS < RHS | LHS > RHS); #  ':'  :   ,   #    RHS. def binary : 1 (xy) y; 

if / then / elseサポヌトを利甚しお、興味深いI / O関数を定矩できたす。 たずえば、次のコヌドは、枡された倀を「密床」が反映する文字を衚瀺したす。倀が小さいほど、文字は濃くなりたす。

 ready> extern putchard(char); ... ready> def printdensity(d) if d > 8 then putchard(32) # ' ' else if d > 4 then putchard(46) # '.' else if d > 2 then putchard(43) # '+' else putchard(42); # '*' ... ready> printdensity(1): printdensity(2): printdensity(3): printdensity(4): printdensity(5): printdensity(9): putchard(10); **++. Evaluated to 0.000000 

これらの簡単な操䜜に基づいお、より興味深いものを定矩し始めるこずができたす。 たずえば、関数が耇玠平面で発散する反埩回数を決定する小さな関数は次のずおりです。

 # ,       #   z = z^2 + c    def mandelconverger(real imag iters creal cimag) if iters > 255 | (real*real + imag*imag > 4) then iters else mandelconverger(real*real - imag*imag + creal, 2*real*imag + cimag, iters+1, creal, cimag); #    def mandelconverge(real imag) mandelconverger(real, imag, 0, real, imag); 

この関数z = z2 + cは矎しい小さな生き物で、 マンデルブロ集合を蚈算するための基瀎です。 私たちのmandelconverge関数は、耇雑な軌道が無限に行く必芁がある反埩回数を返したす。 この関数は255の倀で「飜和」したす。この関数自䜓はあたり有甚ではありたせんが、その倀を2次元平面にプロットするず、倚くのマンデルブロが衚瀺されたす。 ここではputchard関数の䜿甚に制限されおいるため、すばらしいグラフィック出力も制限されおいたすが、䞊蚘の「密床」出力関数を䜿甚できたす。

 #          #    def mandelhelp(xmin xmax xstep ymin ymax ystep) for y = ymin, y < ymax, ystep in ( (for x = xmin, x < xmax, xstep in printdensity(mandelconverge(x,y))) : putchard(10) ) # mandel -        #       def mandel(realstart imagstart realmag imagmag) mandelhelp(realstart, realstart+realmag*78, realmag, imagstart, imagstart+imagmag*40, imagmag); 

これで、倚くのマンデルブロの構築を詊みるこずができたす。

展開する
ready> mandel(-2.3, -1.3, 0.05, 0.07);
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ready> mandel(-2, -1, 0.02, 0.04);
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Evaluated to 0.000000
ready> mandel(-0.9, -1.4, 0.02, 0.03);
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Evaluated to 0.000000
ready> ^D


この段階では、䞇華鏡を実際の匷力な蚀語ず芋なすこずができたす。 自己盞䌌ではありたせん:)が、そのようなものを描くために䜿甚できたす

これで、ガむドの「ナヌザヌ定矩ステヌトメントの远加」の郚分は終わりです。 ラむブラリを䜿甚しお蚀語を拡匵する機胜を远加するこずで蚀語を正垞に補完し、これを䜿甚しおカレむドスコヌプ蚀語でシンプルだが興味深いナヌザヌアプリケヌションを構築する方法を瀺したした。 この段階では、䞇華鏡で、副䜜甚のある関数を呌び出すこずはできたすが、倉数自䜓を定矩および倉曎するこずはできたせんさたざたなアプリケヌションを䜜成できたす。

厳密に蚀えば、可倉倉数は䞀郚の蚀語の重芁な機胜であり、SSA蚭蚈段階をフロント゚ンドに導入せずにそれらのサポヌトを远加する方法は明らかではありたせん。 次のパヌトでは、SSAを構築せずに可倉倉数をフロント゚ンドに远加する方法に぀いお説明したす。

6.6。 完党なコヌドリスト


以䞋は、ナヌザヌ定矩ステヌトメントのサポヌトで拡匵された、䜜業䟋のコヌドの完党なリストです。
組み立お䟋

 #  clang++ -g toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core mcjit native` -O3 -o toy #  ./toy 

䞀郚のプラットフォヌムでは、-rdynamicたたは-Wl、-export-dynamicずリンクする必芁がありたす。 次に、実行可胜ファむルで定矩された文字が動的リンカヌに゚クスポヌトされ、実行時に䜿甚可胜になりたす。 サポヌトコヌドを共有ラむブラリにコンパむルする堎合、これは必芁ありたせんが、これはWindowsで問題を匕き起こす可胜性がありたす。

コヌド

チャプタヌコヌド
 #include "llvm/ADT/APFloat.h" #include "llvm/ADT/STLExtras.h" #include "llvm/IR/BasicBlock.h" #include "llvm/IR/Constants.h" #include "llvm/IR/DerivedTypes.h" #include "llvm/IR/Function.h" #include "llvm/IR/Instructions.h" #include "llvm/IR/IRBuilder.h" #include "llvm/IR/LLVMContext.h" #include "llvm/IR/LegacyPassManager.h" #include "llvm/IR/Module.h" #include "llvm/IR/Type.h" #include "llvm/IR/Verifier.h" #include "llvm/Support/TargetSelect.h" #include "llvm/Target/TargetMachine.h" #include "llvm/Transforms/Scalar.h" #include "llvm/Transforms/Scalar/GVN.h" #include "../include/KaleidoscopeJIT.h" #include <algorithm> #include <cassert> #include <cctype> #include <cstdint> #include <cstdio> #include <cstdlib> #include <map> #include <memory> #include <string> #include <vector> using namespace llvm; using namespace llvm::orc; //===----------------------------------------------------------------------===// //   //===----------------------------------------------------------------------===// //     [0-255]    ,    //  enum Token { tok_eof = -1, //  tok_def = -2, tok_extern = -3, //   tok_identifier = -4, tok_number = -5, //  tok_if = -6, tok_then = -7, tok_else = -8, tok_for = -9, tok_in = -10, //  tok_binary = -11, tok_unary = -12 }; static std::string IdentifierStr; //   tok_identifier static double NumVal; //   tok_number /// gettok -       static int gettok() { static int LastChar = ' '; //   while (isspace(LastChar)) LastChar = getchar(); if (isalpha(LastChar)) { // : [a-zA-Z][a-zA-Z0-9]* IdentifierStr = LastChar; while (isalnum((LastChar = getchar()))) IdentifierStr += LastChar; if (IdentifierStr == "def") return tok_def; if (IdentifierStr == "extern") return tok_extern; if (IdentifierStr == "if") return tok_if; if (IdentifierStr == "then") return tok_then; if (IdentifierStr == "else") return tok_else; if (IdentifierStr == "for") return tok_for; if (IdentifierStr == "in") return tok_in; if (IdentifierStr == "binary") return tok_binary; if (IdentifierStr == "unary") return tok_unary; return tok_identifier; } if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') { // Number: [0-9.]+ std::string NumStr; do { NumStr += LastChar; LastChar = getchar(); } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.'); NumVal = strtod(NumStr.c_str(), nullptr); return tok_number; } if (LastChar == '#') { //     do LastChar = getchar(); while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r'); if (LastChar != EOF) return gettok(); } //   .   EOF. if (LastChar == EOF) return tok_eof; // ,     ascii-. int ThisChar = LastChar; LastChar = getchar(); return ThisChar; } //===----------------------------------------------------------------------===// //    ( ) //===----------------------------------------------------------------------===// namespace { /// ExprAST -    . class ExprAST { public: virtual ~ExprAST() = default; virtual Value *codegen() = 0; }; /// NumberExprAST -      "1.0". class NumberExprAST : public ExprAST { double Val; public: NumberExprAST(double Val) : Val(Val) {} Value *codegen() override; }; /// VariableExprAST -   , , "a". class VariableExprAST : public ExprAST { std::string Name; public: VariableExprAST(const std::string &Name) : Name(Name) {} Value *codegen() override; }; /// UnaryExprAST -      class UnaryExprAST : public ExprAST { char Opcode; std::unique_ptr<ExprAST> Operand; public: UnaryExprAST(char Opcode, std::unique_ptr<ExprAST> Operand) : Opcode(Opcode), Operand(std::move(Operand)) {} Value *codegen() override; }; /// BinaryExprAST -      class BinaryExprAST : public ExprAST { char Op; std::unique_ptr<ExprAST> LHS, RHS; public: BinaryExprAST(char Op, std::unique_ptr<ExprAST> LHS, std::unique_ptr<ExprAST> RHS) : Op(Op), LHS(std::move(LHS)), RHS(std::move(RHS)) {} Value *codegen() override; }; /// CallExprAST -      class CallExprAST : public ExprAST { std::string Callee; std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args; public: CallExprAST(const std::string &Callee, std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args) : Callee(Callee), Args(std::move(Args)) {} Value *codegen() override; }; /// IfExprAST -    if/then/else. class IfExprAST : public ExprAST { std::unique_ptr<ExprAST> Cond, Then, Else; public: IfExprAST(std::unique_ptr<ExprAST> Cond, std::unique_ptr<ExprAST> Then, std::unique_ptr<ExprAST> Else) : Cond(std::move(Cond)), Then(std::move(Then)), Else(std::move(Else)) {} Value *codegen() override; }; /// ForExprAST -    for/in. class ForExprAST : public ExprAST { std::string VarName; std::unique_ptr<ExprAST> Start, End, Step, Body; public: ForExprAST(const std::string &VarName, std::unique_ptr<ExprAST> Start, std::unique_ptr<ExprAST> End, std::unique_ptr<ExprAST> Step, std::unique_ptr<ExprAST> Body) : VarName(VarName), Start(std::move(Start)), End(std::move(End)), Step(std::move(Step)), Body(std::move(Body)) {} Value *codegen() override; }; /// PrototypeAST -    "" , ///    ,    (, ,  /// ,  ),   . class PrototypeAST { std::string Name; std::vector<std::string> Args; bool IsOperator; unsigned Precedence; // Precedence if a binary op. public: PrototypeAST(const std::string &Name, std::vector<std::string> Args, bool IsOperator = false, unsigned Prec = 0) : Name(Name), Args(std::move(Args)), IsOperator(IsOperator), Precedence(Prec) {} Function *codegen(); const std::string &getName() const { return Name; } bool isUnaryOp() const { return IsOperator && Args.size() == 1; } bool isBinaryOp() const { return IsOperator && Args.size() == 2; } char getOperatorName() const { assert(isUnaryOp() || isBinaryOp()); return Name[Name.size() - 1]; } unsigned getBinaryPrecedence() const { return Precedence; } }; /// FunctionAST -      class FunctionAST { std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto; std::unique_ptr<ExprAST> Body; public: FunctionAST(std::unique_ptr<PrototypeAST> Proto, std::unique_ptr<ExprAST> Body) : Proto(std::move(Proto)), Body(std::move(Body)) {} Function *codegen(); }; } //     //===----------------------------------------------------------------------===// //  //===----------------------------------------------------------------------===// /// CurTok/getNextToken -    . CurTok -  /// ,    . getNextToken     ///     CurTok  . static int CurTok; static int getNextToken() { return CurTok = gettok(); } /// BinopPrecedence -     , ///   static std::map<char, int> BinopPrecedence; /// GetTokPrecedence -       . static int GetTokPrecedence() { if (!isascii(CurTok)) return -1; // ,     int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok]; if (TokPrec <= 0) return -1; return TokPrec; } /// Error* -     . std::unique_ptr<ExprAST> LogError(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str); return nullptr; } std::unique_ptr<PrototypeAST> LogErrorP(const char *Str) { LogError(Str); return nullptr; } static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression(); /// numberexpr ::= number static std::unique_ptr<ExprAST> ParseNumberExpr() { auto Result = llvm::make_unique<NumberExprAST>(NumVal); getNextToken(); //   return std::move(Result); } /// parenexpr ::= '(' expression ')' static std::unique_ptr<ExprAST> ParseParenExpr() { getNextToken(); //  (. auto V = ParseExpression(); if (!V) return nullptr; if (CurTok != ')') return LogError("expected ')'"); getNextToken(); //  ). return V; } /// identifierexpr /// ::= identifier /// ::= identifier '(' expression* ')' static std::unique_ptr<ExprAST> ParseIdentifierExpr() { std::string IdName = IdentifierStr; getNextToken(); //  . if (CurTok != '(') //   return llvm::make_unique<VariableExprAST>(IdName); // Call. getNextToken(); //  ( std::vector<std::unique_ptr<ExprAST>> Args; if (CurTok != ')') { while (true) { if (auto Arg = ParseExpression()) Args.push_back(std::move(Arg)); else return nullptr; if (CurTok == ')') break; if (CurTok != ',') return LogError("Expected ')' or ',' in argument list"); getNextToken(); } } //  ')'. getNextToken(); return llvm::make_unique<CallExprAST>(IdName, std::move(Args)); } /// ifexpr ::= 'if' expression 'then' expression 'else' expression static std::unique_ptr<ExprAST> ParseIfExpr() { getNextToken(); // eat the if. //  auto Cond = ParseExpression(); if (!Cond) return nullptr; if (CurTok != tok_then) return LogError("expected then"); getNextToken(); //  then auto Then = ParseExpression(); if (!Then) return nullptr; if (CurTok != tok_else) return LogError("expected else"); getNextToken(); auto Else = ParseExpression(); if (!Else) return nullptr; return llvm::make_unique<IfExprAST>(std::move(Cond), std::move(Then), std::move(Else)); } /// forexpr ::= 'for' identifier '=' expr ',' expr (',' expr)? 'in' expression static std::unique_ptr<ExprAST> ParseForExpr() { getNextToken(); //  for. if (CurTok != tok_identifier) return LogError("expected identifier after for"); std::string IdName = IdentifierStr; getNextToken(); //   if (CurTok != '=') return LogError("expected '=' after for"); getNextToken(); //  '='. auto Start = ParseExpression(); if (!Start) return nullptr; if (CurTok != ',') return LogError("expected ',' after for start value"); getNextToken(); auto End = ParseExpression(); if (!End) return nullptr; //    std::unique_ptr<ExprAST> Step; if (CurTok == ',') { getNextToken(); Step = ParseExpression(); if (!Step) return nullptr; } if (CurTok != tok_in) return LogError("expected 'in' after for"); getNextToken(); // eat 'in'. auto Body = ParseExpression(); if (!Body) return nullptr; return llvm::make_unique<ForExprAST>(IdName, std::move(Start), std::move(End), std::move(Step), std::move(Body)); } /// primary /// ::= identifierexpr /// ::= numberexpr /// ::= parenexpr /// ::= ifexpr /// ::= forexpr static std::unique_ptr<ExprAST> ParsePrimary() { switch (CurTok) { default: return LogError("unknown token when expecting an expression"); case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr(); case tok_number: return ParseNumberExpr(); case '(': return ParseParenExpr(); case tok_if: return ParseIfExpr(); case tok_for: return ParseForExpr(); } } /// unary /// ::= primary /// ::= '!' unary static std::unique_ptr<ExprAST> ParseUnary() { //      ,     . if (!isascii(CurTok) || CurTok == '(' || CurTok == ',') return ParsePrimary(); //    ,   int Opc = CurTok; getNextToken(); if (auto Operand = ParseUnary()) return llvm::make_unique<UnaryExprAST>(Opc, std::move(Operand)); return nullptr; } /// binoprhs /// ::= ('+' unary)* static std::unique_ptr<ExprAST> ParseBinOpRHS(int ExprPrec, std::unique_ptr<ExprAST> LHS) { //    ,    while (true) { int TokPrec = GetTokPrecedence(); //   ,    //  ,   if (TokPrec < ExprPrec) return LHS; //   ,     int BinOp = CurTok; getNextToken(); // eat binop //       auto RHS = ParseUnary(); if (!RHS) return nullptr; //  BinOp    RHS,    RHS,  //    RHS   LHS. int NextPrec = GetTokPrecedence(); if (TokPrec < NextPrec) { RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec + 1, std::move(RHS)); if (!RHS) return nullptr; } //  LHS/RHS. LHS = llvm::make_unique<BinaryExprAST>(BinOp, std::move(LHS), std::move(RHS)); } } /// expression /// ::= unary binoprhs /// static std::unique_ptr<ExprAST> ParseExpression() { auto LHS = ParseUnary(); if (!LHS) return nullptr; return ParseBinOpRHS(0, std::move(LHS)); } /// prototype /// ::= id '(' id* ')' /// ::= binary LETTER number? (id, id) /// ::= unary LETTER (id) static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParsePrototype() { std::string FnName; unsigned Kind = 0; // 0 = , 1 = , 2 = . unsigned BinaryPrecedence = 30; switch (CurTok) { default: return LogErrorP("Expected function name in prototype"); case tok_identifier: FnName = IdentifierStr; Kind = 0; getNextToken(); break; case tok_unary: getNextToken(); if (!isascii(CurTok)) return LogErrorP("Expected unary operator"); FnName = "unary"; FnName += (char)CurTok; Kind = 1; getNextToken(); break; case tok_binary: getNextToken(); if (!isascii(CurTok)) return LogErrorP("Expected binary operator"); FnName = "binary"; FnName += (char)CurTok; Kind = 2; getNextToken(); //  ,    if (CurTok == tok_number) { if (NumVal < 1 || NumVal > 100) return LogErrorP("Invalid precedence: must be 1..100"); BinaryPrecedence = (unsigned)NumVal; getNextToken(); } break; } if (CurTok != '(') return LogErrorP("Expected '(' in prototype"); std::vector<std::string> ArgNames; while (getNextToken() == tok_identifier) ArgNames.push_back(IdentifierStr); if (CurTok != ')') return LogErrorP("Expected ')' in prototype"); // . getNextToken(); // eat ')'. // ,     if (Kind && ArgNames.size() != Kind) return LogErrorP("Invalid number of operands for operator"); return llvm::make_unique<PrototypeAST>(FnName, ArgNames, Kind != 0, BinaryPrecedence); } /// definition ::= 'def' prototype expression static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseDefinition() { getNextToken(); // eat def. auto Proto = ParsePrototype(); if (!Proto) return nullptr; if (auto E = ParseExpression()) return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E)); return nullptr; } /// toplevelexpr ::= expression static std::unique_ptr<FunctionAST> ParseTopLevelExpr() { if (auto E = ParseExpression()) { //    auto Proto = llvm::make_unique<PrototypeAST>("__anon_expr", std::vector<std::string>()); return llvm::make_unique<FunctionAST>(std::move(Proto), std::move(E)); } return nullptr; } /// external ::= 'extern' prototype static std::unique_ptr<PrototypeAST> ParseExtern() { getNextToken(); // eat extern. return ParsePrototype(); } //===----------------------------------------------------------------------===// //   //===----------------------------------------------------------------------===// static LLVMContext TheContext; static IRBuilder<> Builder(TheContext); static std::unique_ptr<Module> TheModule; static std::map<std::string, Value *> NamedValues; static std::unique_ptr<legacy::FunctionPassManager> TheFPM; static std::unique_ptr<KaleidoscopeJIT> TheJIT; static std::map<std::string, std::unique_ptr<PrototypeAST>> FunctionProtos; Value *LogErrorV(const char *Str) { LogError(Str); return nullptr; } Function *getFunction(std::string Name) { // , ,       . if (auto *F = TheModule->getFunction(Name)) return F; // I ,         // . auto FI = FunctionProtos.find(Name); if (FI != FunctionProtos.end()) return FI->second->codegen(); //    ,  null. return nullptr; } Value *NumberExprAST::codegen() { return ConstantFP::get(TheContext, APFloat(Val)); } Value *VariableExprAST::codegen() { // ,       Value *V = NamedValues[Name]; if (!V) return LogErrorV("Unknown variable name"); return V; } Value *UnaryExprAST::codegen() { Value *OperandV = Operand->codegen(); if (!OperandV) return nullptr; Function *F = getFunction(std::string("unary") + Opcode); if (!F) return LogErrorV("Unknown unary operator"); return Builder.CreateCall(F, OperandV, "unop"); } Value *BinaryExprAST::codegen() { Value *L = LHS->codegen(); Value *R = RHS->codegen(); if (!L || !R) return nullptr; switch (Op) { case '+': return Builder.CreateFAdd(L, R, "addtmp"); case '-': return Builder.CreateFSub(L, R, "subtmp"); case '*': return Builder.CreateFMul(L, R, "multmp"); case '<': L = Builder.CreateFCmpULT(L, R, "cmptmp"); //  bool 0/1  double 0.0 or 1.0 return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(TheContext), "booltmp"); default: break; } //      ,     .  //    . Function *F = getFunction(std::string("binary") + Op); assert(F && "binary operator not found!"); Value *Ops[] = {L, R}; return Builder.CreateCall(F, Ops, "binop"); } Value *CallExprAST::codegen() { //       Function *CalleeF = getFunction(Callee); if (!CalleeF) return LogErrorV("Unknown function referenced"); // ,    . if (CalleeF->arg_size() != Args.size()) return LogErrorV("Incorrect # arguments passed"); std::vector<Value *> ArgsV; for (unsigned i = 0, e = Args.size(); i != e; ++i) { ArgsV.push_back(Args[i]->codegen()); if (!ArgsV.back()) return nullptr; } return Builder.CreateCall(CalleeF, ArgsV, "calltmp"); } Value *IfExprAST::codegen() { Value *CondV = Cond->codegen(); if (!CondV) return nullptr; //          0.0. CondV = Builder.CreateFCmpONE( CondV, ConstantFP::get(TheContext, APFloat(0.0)), "ifcond"); Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent(); //    then  else.   'then'  //   BasicBlock *ThenBB = BasicBlock::Create(TheContext, "then", TheFunction); BasicBlock *ElseBB = BasicBlock::Create(TheContext, "else"); BasicBlock *MergeBB = BasicBlock::Create(TheContext, "ifcont"); Builder.CreateCondBr(CondV, ThenBB, ElseBB); //  . Builder.SetInsertPoint(ThenBB); Value *ThenV = Then->codegen(); if (!ThenV) return nullptr; Builder.CreateBr(MergeBB); //    'Then'    ,  ThenBB  PHI. ThenBB = Builder.GetInsertBlock(); //   "else" TheFunction->getBasicBlockList().push_back(ElseBB); Builder.SetInsertPoint(ElseBB); Value *ElseV = Else->codegen(); if (!ElseV) return nullptr; Builder.CreateBr(MergeBB); //    'Else'    ,  ElseBB  PHI. ElseBB = Builder.GetInsertBlock(); //    TheFunction->getBasicBlockList().push_back(MergeBB); Builder.SetInsertPoint(MergeBB); PHINode *PN = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(TheContext), 2, "iftmp"); PN->addIncoming(ThenV, ThenBB); PN->addIncoming(ElseV, ElseBB); return PN; } //  for-loop : // ... // start = startexpr // goto loop // loop: // variable = phi [start, loopheader], [nextvariable, loopend] // ... // bodyexpr // ... // loopend: // step = stepexpr // nextvariable = variable + step // endcond = endexpr // br endcond, loop, endloop // outloop: Value *ForExprAST::codegen() { //    ,  . Value *StartVal = Start->codegen(); if (!StartVal) return nullptr; //        ,     //  Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent(); BasicBlock *PreheaderBB = Builder.GetInsertBlock(); BasicBlock *LoopBB = BasicBlock::Create(TheContext, "loop", TheFunction); //          LoopBB. Builder.CreateBr(LoopBB); //    LoopBB. Builder.SetInsertPoint(LoopBB); //   PHI   . PHINode *Variable = Builder.CreatePHI(Type::getDoubleTy(TheContext), 2, VarName); Variable->addIncoming(StartVal, PreheaderBB); //    ,   PHI.   //   ,    ,   . Value *OldVal = NamedValues[VarName]; NamedValues[VarName] = Variable; //   . ,    ,   //  BB. ,    ,   ,   //  . if (!Body->codegen()) return nullptr; //    Value *StepVal = nullptr; if (Step) { StepVal = Step->codegen(); if (!StepVal) return nullptr; } else { //   ,  1.0. StepVal = ConstantFP::get(TheContext, APFloat(1.0)); } Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(Variable, StepVal, "nextvar"); //    Value *EndCond = End->codegen(); if (!EndCond) return nullptr; //          0.0. EndCond = Builder.CreateFCmpONE( EndCond, ConstantFP::get(TheContext, APFloat(0.0)), "loopcond"); //   " "    BasicBlock *LoopEndBB = Builder.GetInsertBlock(); BasicBlock *AfterBB = BasicBlock::Create(TheContext, "afterloop", TheFunction); //      LoopEndBB. Builder.CreateCondBr(EndCond, LoopBB, AfterBB); //       AfterBB. Builder.SetInsertPoint(AfterBB); //      PHI. Variable->addIncoming(NextVar, LoopEndBB); //    . if (OldVal) NamedValues[VarName] = OldVal; else NamedValues.erase(VarName); //    0.0. return Constant::getNullValue(Type::getDoubleTy(TheContext)); } Function *PrototypeAST::codegen() { //   : double(double,double) etc. std::vector<Type *> Doubles(Args.size(), Type::getDoubleTy(TheContext)); FunctionType *FT = FunctionType::get(Type::getDoubleTy(TheContext), Doubles, false); Function *F = Function::Create(FT, Function::ExternalLinkage, Name, TheModule.get()); //    unsigned Idx = 0; for (auto &Arg : F->args()) Arg.setName(Args[Idx++]); return F; } Function *FunctionAST::codegen() { //      FunctionProtos,   //    . auto &P = *Proto; FunctionProtos[Proto->getName()] = std::move(Proto); Function *TheFunction = getFunction(P.getName()); if (!TheFunction) return nullptr; //   ,   if (P.isBinaryOp()) BinopPrecedence[P.getOperatorName()] = P.getBinaryPrecedence(); //        BasicBlock *BB = BasicBlock::Create(TheContext, "entry", TheFunction); Builder.SetInsertPoint(BB); //      NamedValues. NamedValues.clear(); for (auto &Arg : TheFunction->args()) NamedValues[Arg.getName()] = &Arg; if (Value *RetVal = Body->codegen()) { //   Builder.CreateRet(RetVal); //    verifyFunction(*TheFunction); //     TheFPM->run(*TheFunction); return TheFunction; } //    ,   TheFunction->eraseFromParent(); if (P.isBinaryOp()) BinopPrecedence.erase(P.getOperatorName()); return nullptr; } //===----------------------------------------------------------------------===// //     JIT //===----------------------------------------------------------------------===// static void InitializeModuleAndPassManager() { //    TheModule = llvm::make_unique<Module>("my cool jit", TheContext); TheModule->setDataLayout(TheJIT->getTargetMachine().createDataLayout()); //       TheFPM = llvm::make_unique<legacy::FunctionPassManager>(TheModule.get()); //   "peephole"-. TheFPM->add(createInstructionCombiningPass()); //   TheFPM->add(createReassociatePass()); //    TheFPM->add(createGVNPass()); //    (    ..). TheFPM->add(createCFGSimplificationPass()); TheFPM->doInitialization(); } static void HandleDefinition() { if (auto FnAST = ParseDefinition()) { if (auto *FnIR = FnAST->codegen()) { fprintf(stderr, "Read function definition:"); FnIR->print(errs()); fprintf(stderr, "\n"); TheJIT->addModule(std::move(TheModule)); InitializeModuleAndPassManager(); } } else { //       getNextToken(); } } static void HandleExtern() { if (auto ProtoAST = ParseExtern()) { if (auto *FnIR = ProtoAST->codegen()) { fprintf(stderr, "Read extern: "); FnIR->print(errs()); fprintf(stderr, "\n"); FunctionProtos[ProtoAST->getName()] = std::move(ProtoAST); } } else { //       getNextToken(); } } static void HandleTopLevelExpression() { //       if (auto FnAST = ParseTopLevelExpr()) { if (FnAST->codegen()) { // JIT  ,    //    auto H = TheJIT->addModule(std::move(TheModule)); InitializeModuleAndPassManager(); //  JIT   __anon_expr auto ExprSymbol = TheJIT->findSymbol("__anon_expr"); assert(ExprSymbol && "Function not found"); //         (  // ,  double)      . double (*FP)() = (double (*)())(intptr_t)cantFail(ExprSymbol.getAddress()); fprintf(stderr, "Evaluated to %f\n", FP()); //     JIT. TheJIT->removeModule(H); } } else { //       getNextToken(); } } /// top ::= definition | external | expression | ';' static void MainLoop() { while (true) { fprintf(stderr, "ready> "); switch (CurTok) { case tok_eof: return; case ';': //       getNextToken(); break; case tok_def: HandleDefinition(); break; case tok_extern: HandleExtern(); break; default: HandleTopLevelExpression(); break; } } } //===----------------------------------------------------------------------===// // "" ,        //===----------------------------------------------------------------------===// #ifdef LLVM_ON_WIN32 #define DLLEXPORT __declspec(dllexport) #else #define DLLEXPORT #endif /// putchard - putchar,  double,  0. extern "C" DLLEXPORT double putchard(double X) { fputc((char)X, stderr); return 0; } /// printd - printf,  double   "%f\n",  0. extern "C" DLLEXPORT double printd(double X) { fprintf(stderr, "%f\n", X); return 0; } //===----------------------------------------------------------------------===// //  main //===----------------------------------------------------------------------===// int main() { InitializeNativeTarget(); InitializeNativeTargetAsmPrinter(); InitializeNativeTargetAsmParser(); //     // 1 -    BinopPrecedence['<'] = 10; BinopPrecedence['+'] = 20; BinopPrecedence['-'] = 20; BinopPrecedence['*'] = 40; // highest. //    fprintf(stderr, "ready> "); getNextToken(); TheJIT = llvm::make_unique<KaleidoscopeJIT>(); InitializeModuleAndPassManager(); //    MainLoop(); return 0; } 

Source: https://habr.com/ru/post/J336080/


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