LLVMを使用したプログラミング言語の作成。 パート6:言語拡張:ユーザー定義演算子

目次:

パート1:はじめにと字句解析

パート2:パーサーとASTの実装

パート3:LLVM IRコード生成

パート4:JITおよびオプティマイザーサポートの追加

パート5:言語拡張:制御フロー

パート6:言語拡張:ユーザー定義演算子

パート7:言語拡張:可変変数

パート8:オブジェクトコードへのコンパイル

パート9:デバッグ情報の追加

パート10:結論とその他のLLVMの利点







6.1。 はじめに



ガイド「LLVMを使用したプログラミング言語の作成」の第6章にようこそ。 この時点で、最小限ではありますが、それでも便利な完全に機能する言語ができました。 しかし、まだ1つの問題がありました。 この言語には有用な演算子はほとんどありません(たとえば、「より小さい」比較演算子を除いて、除算、論理否定、および比較さえありません)。



私たちの言語である万華鏡はシンプルで美しいものですが、この章ではこれらの原則から逸脱しています。 リトリートは、シンプルであるがい、なんらかの方法で、しかし強力な言語を取得することです。 独自の言語を作成することの素晴らしい点の1つは、何が良いか、何が悪いかを決めることです。 このガイドでは、これは正常であり、いくつかの興味深い解析手法を示すことを決定しました。



この章の最後では、多くのマンデルブロを表示する万華鏡のサンプルアプリケーションを見ていきます。 これは、万華鏡言語とその機能セットでできることの例です。



6.2。 ユーザー定義の演算子:重要な考え方



Kaleidoscopeで導入する「演算子のオーバーロード」は、C ++などの言語よりも一般化されています。 C ++では、既存の演算子のみを再定義できます。プログラムで構文を変更したり、新しい演算子を導入したり、優先度レベルを変更したりすることはできません。 この章では、これらすべての機能をKaleidoscopeに追加します。これにより、ユーザーはサポートされているオペレーターのセットを自分で決定できます。



このガイドでユーザー定義演算子を見る目的は、「ネイティブ」パーサーを使用することの能力と柔軟性を示すことです。 私たちが行ったパーサーは、ほとんどの文法で再帰下降を使用し、式の優先順位を持つ構文解析演算子を使用します( パート2を参照)。 優先順位付きの構文解析演算子を使用すると、プログラマーが新しい演算子を文法に簡単に導入できます。JITを実行すると、文法が動的に拡張されます。



追加する2つの特定の機能は、単項演算子(現在、Kaleidoscopeには単項演算子がありません)と二項演算子です。 例:



#   . 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);
      
      





多くの言語は、言語自体に標準ライブラリの機能を実装しようとしています。 カレイドスコープ言語では、ライブラリの形で言語の重要な部分を実装できます!



これらの機能の実装は、カスタムバイナリ演算子と単項演算子のサポートの実装という2つの部分に分割します。



6.3。 ユーザー定義の二項演算子



フレームワークにユーザー定義のバイナリ演算子のサポートを追加するのは非常に簡単です。 まず、キーワード「単項」および「バイナリ」のサポートを追加します。



 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;
      
      





このコードは、前の部分で行った方法と同様に、「単項」および「バイナリ」キーワードのサポートを字句アナライザに追加します。 AST実装の良い点の1つは、ASCIIコードをオペコードとして使用して、バイナリ演算子を完全に一般化したものとして提示することです。 追加の演算子については、同じ表現を使用します。ASTやパーサーからの追加サポートは必要ありません。



一方、これらの新しい演算子の定義を関数定義として表すことができます。 文法では、関数の定義の「名前」は関数プロトタイプの出力として解析され、PrototypeAST型のASTノードになります。 新しいユーザー定義演算子をプロトタイプとして提示するには、PrototypeASTノードを次のように拡張する必要があります。



 /// 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; } };
      
      





一番下の行は、よく知られたプロトタイプの名前に加えて、それが演算子であったかどうか、もしそうなら、それがどの優先度レベルであるかに関する情報も保存するということです。 優先度レベルは二項演算子にのみ使用されます(後で説明しますが、単項演算子には適用されません)。 これで、ユーザーオペレーターのプロトタイプを表す方法ができました。これを解析できるようにする必要があります。



 ///  /// ::= 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ードで、以前にも同様のコードをたくさん見ました。 このコードの興味深い部分の1つは、FnNameが2項演算子に割り当てられている2、3行です。 ユーザー演算子「@」の場合、プロトタイプには「binary @」という名前が付けられます。 LLVMシンボルテーブルのシンボル名にヌルを含む任意の文字を使用できるという事実の利点をここに示します。

次に追加する興味深いことは、バイナリ演算子のコード生成サポートです。 既存の構造では、これは単に既存のバイナリ演算子ノードに「デフォルト」を追加するだけです。



 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"); }
      
      





上記でわかるように、新しいコードは非常に単純です。 シンボルテーブルで適切なステートメントを見つけて、それに対する関数呼び出しを生成します。 ユーザー文は通常の関数と同様に実装されるため、すべてが適切に配置されます。



必要な最後のコードは、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); ...
      
      





関数コードを生成する前に、それがユーザー定義の演算子である場合、優先度テーブルに登録します。 これにより、すでにあるバイナリ演算子の解析ロジックが演算子を処理できます。 演算子の優先順位を持つ完全に一般化されたパーサーを開発しているため、文法を拡張する必要があります。

ユーザー定義の二項演算子ができました。 これらは主に、他のオペレーター向けに作成したフレームワークに基づいて構築されています。 単項演算子の追加はもう少し複雑になります。これにはまだフレームワークがないためです。 方法を見てみましょう。



6.4。 ユーザー定義の単項演算子



Kaleidoscope言語の単項演算子はまだサポートされていないため、サポートを追加する必要があります。 上記では、字句アナライザに「単項」キーワードの簡単なサポートを追加しました。 次に、ASTノードが必要です。



 /// 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ノードは非常にシンプルで明白です。 子が1つあることを除けば、2項演算子のASTノードに似ています。 次に、解析ロジックを追加する必要があります。 単項演算子の解析は非常に簡単です。これを行う関数を追加します。



 /// 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; }
      
      





ここで追加した文法は非常に単純です。 プライマリ演算子を解析するときに単項演算子が見つかった場合、この演算子をプレフィックスとして使用し、残りの部分を別の単項演算子として解析します。 これにより、複数の単項演算子(「!! x」など)を処理できます。 単項演算子は、二項演算子のように曖昧な解析を行うことができず、優先度情報を必要としないことに注意してください。

この関数の問題は、どこからでもParseUnaryを呼び出す必要がある場合があることです。 これを行うには、ParsePrimaryの以前の呼び出しをParseUnaryに置き換えます。



 /// 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つの簡単な変更により、単項演算子を解析し、それらのASTを構築できるようになりました。 次に、プロトタイプのパーサーサポートを追加して、単項演算子のプロトタイプを解析する必要があります。 上記のバイナリ演算子コードを次のように拡張します。



 /// 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: ...
      
      





二項演算子と同様に、単項演算子を演算子記号を含む名前と呼びます。 これは、コードを生成するときに役立ちます。 次に、単項演算子のコード生成サポートを追加する必要があります。 次のようになります。



 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"); }
      
      





コードはバイナリ演算子の実装に似ていますが、主に優先度のサポートを必要としないため、よりシンプルです。



6.5。 タイヤを蹴る



信じがたいですが、最後の部分で説明したいくつかの簡単な拡張機能を導入することで、実際の言語を成長させました。 I / O、数学、その他多くのことを含む、多くの興味深いことができます。 たとえば、シーケンス演算子を入力できます(printd関数は引数の値を表示し、文字列を翻訳します):



 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
      
      





また、次のような多くの「単純な」演算子を定義することもできます。



 #    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サポートを利用して、興味深いI / O関数を定義できます。 たとえば、次のコードは、渡された値を「密度」が反映する文字を表示します。値が小さいほど、文字は濃くなります。



 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
      
      





これらの簡単な操作に基づいて、より興味深いものを定義し始めることができます。 たとえば、関数が複素平面で発散する反復回数を決定する小さな関数は次のとおりです。



 # ,       #   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)は美しい小さな生き物で、 マンデルブロ集合を計算するための基礎です。 私たちのmandelconverge関数は、複雑な軌道が無限に行く必要がある反復回数を返します。 この関数は255の値で「飽和」します。この関数自体はあまり有用ではありませんが、その値を2次元平面にプロットすると、多くのマンデルブロが表示されます。 ここではputchard関数の使用に制限されているため、すばらしいグラフィック出力も制限されていますが、上記の「密度」出力関数を使用できます。



 #          #    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、多くのマンデルブロの構築を試みることができます。



展開する
ready> mandel(-2.3, -1.3, 0.05, 0.07);

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Evaluated to 0.000000

ready> mandel(-2, -1, 0.02, 0.04);

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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、万華鏡を実際の強力な言語と見なすことができます。 自己相似ではありません:)が、そのようなものを描くために使用できます!



これで、ガイドの「ユーザー定義ステートメントの追加」の部分は終わりです。 ライブラリを使用して言語を拡張する機能を追加することで言語を正常に補完し、これを使用してカレイドスコープ言語でシンプルだが興味深いユーザーアプリケーションを構築する方法を示しました。 この段階では、万華鏡で、副作用のある関数を呼び出すことはできますが、変数自体を定義および変更することはできませんさまざまなアプリケーションを作成できます。



厳密に言えば、可変変数は一部の言語の重要な機能であり、SSA設計段階をフロントエンドに導入せずにそれらのサポートを追加する方法は明らかではありません。 次のパートでは、SSAを構築せずに可変変数をフロントエンドに追加する方法について説明します。



6.6。 完全なコードリスト



以下は、ユーザー定義ステートメントのサポートで拡張された、作業例のコードの完全なリストです。

組み立て例:



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





一部のプラットフォームでは、-rdynamicまたは-Wl、-export-dynamicとリンクする必要があります。 次に、実行可能ファイルで定義された文字が動的リンカーにエクスポートされ、実行時に使用可能になります。 サポートコードを共有ライブラリにコンパイルする場合、これは必要ありませんが、これはWindowsで問題を引き起こす可能性があります。



コード:



チャプターコード
 #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; }
      
      








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