Kaileidoscope LLVM 编写语言中文教程 - 文章教程

Kaileidoscope LLVM 编写语言中文教程

发布于 2020-10-12 字数 40444 浏览 1173 评论 0

欢迎来到“使用LLVM编写语言”教程。本教程过实现一个简单的语言,让你感受其中的乐趣和轻松。我们将从一个简单的框架开始,让你可以扩展到其它语言。你也可以用教程中的代码测试llvm中的各种特性。

我们的目的是逐步构建我们的编程语言,解释其中每一步的构建过程。我们将大量涉及到语言设计和 LLVM 使用技巧,每一部分代码我们都会展示出来,并详细解释它,而不是给你成吨的代码细节让你自行挖掘其中的奥秘。

在开始教程前,我要强调的是这个教程是关于编译器和LLVM的具体实现,不包含*教授现代化和理论化的软件工程原理。这意味着在实践中我们使用了一些并不科学但是简单的方法来介绍我们的做法。比如,内存泄露,大量使用全局变量,不好的设计模式如访客模式等……但是,它非常简单。如果你将来想对这些代码做改进和复用,修复这些缺陷应该不难。

我把这些章节简介放在这里,若你对相关内容已经有所了解,可以跳过他们。

整个教程中,我们写的代码不包括注释空行将不到700行。用如此少量的代码,我们将建立一个合理的编译器来编译一个不简单的语言,包括手写的词法分析器,解析器,抽象语法树和JIT的支持。也许其它的教程有一个很有趣的“hello world”实例,我认为这个教程的生命力在于感受LLVM的强大,和明白如果你对语言和编译器设计有兴趣的话,研究LLVM是十分必要的。

还有一点提醒:我们希望你亲手扩展并把玩语言。疯狂地去玩转代码,编译器不是一个可怕地生物——其实与语言打交道也可以很有趣。

基本语言

我们设计一个玩具语言,我们称之为 Kailedoscope(由“美丽,形式和观点”派生出来的)。Kailedoscope 是一种程序语言,它允许您定义功能,使用条件,数学语句等,在教程中,我们将扩展Kailedoscope支持的 if / then/ else 结构,for 循环中,用户定义的运算符,支持JIT的一个简单的命令行窗口等。

我们希望让事情变得简单,所以Kailedoscope中唯一的数据类型是一个64位浮点型(float)(在C语言中又称“Double”)。因此,所有的值都隐含dboule的精度,在语言中也就不需要类型声明。这使得语言有一个非常简单的语法。比如,下面这个简单的例子是计算斐波那契数的:

# 计算第x个数字
    def fib(x)
      if x < 3 then
        1
      else
        fib(x-1)+fib(x-2)

    # 计算第40个数字
    fib(40)

同时我们也允许万花筒调用标准库函数(LLVM的JIT做到这个简直轻而易举)。这意味着您可以使用“extern”关键字,你使用之前定义的函数(这在相互递归的函数中很有用)。例如:

extern sin(arg);
    extern cos(arg);
    extern atan2(arg1 arg2);

    atan2(sin(.4), cos(42))

在第6章还有一个更有趣的例子,我们编写一个显示Mandelbrot集放大程序。

那现在,让我们深入Kailedoscope语言的实现吧!

词法分析

实现语言的第一步,就是让语言具备从文本文件中读取程序代码,理解自己应该去做什么。传统方法的实现方法是“词法分析”(又名,“扫描器”)将输入分解为一串tokens,词法分析器返回每一个token包括token代码和一些可能的元数据(如数值)。首先,我们定义以下token:

// The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
    // of these for known things.
    enum Token {
      tok_eof = -1,

      // commands
      tok_def = -2, tok_extern = -3,

      // primary
      tok_identifier = -4, tok_number = -5,
    };

    static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
    static double NumVal;              // Filled in if tok_number

我们的词法分析器返回的每一个token可能是一个枚举值或者是一个字符比如“+”,实际上这返回的是字符的ASCII码,如果当前的token是一个标识符(identifier),全局变量IdentifierStr就会保存标识符的名字,如果当前标识符是数字字符(如1),NumVal将负责保存它的值。注意,我们保存变量时用了全局变量,这并不是一个最好的选择,只是为了让它写起来足够简单。

词法分析器实际实现的功能是gettok函数。该函数被调用来从标准输入返回下一个token。它的定义开始为:

/// gettok - Return the next token from standard input.
    static int gettok() {
      static int LastChar = ' ';

      // Skip any whitespace.
      while (isspace(LastChar))
        LastChar = getchar();

gettok通过调用C语言的getchar()来读取标准输入流的字符,它读取字符后会将其保存在LastChar并剔除出输入流。首先要做的是忽略token之间的空白符。这个可以用下面的循环实现。

接着gettok要做的是识别标识符和保留字符如“def”。Kaleidoscope通过以下的简单循环实现:

if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [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;
      return tok_identifier;
    }

当分析到标识符时,Kaleidoscope会设置全局变量IdentifierStr,在这个匹配中,还会检测是否出现了关键字。同样,匹配数字时,我们也这样:

if (isdigit(LastChar) || LastChar == '.') {   // Number: [0-9.]+
      std::string NumStr;
      do {
        NumStr += LastChar;
        LastChar = getchar();
      } while (isdigit(LastChar) || LastChar == '.');

      NumVal = strtod(NumStr.c_str(), 0);
      return tok_number;
    }

这是处理输入的一段漂亮、简洁的代码。当读到数字时,我们使用了C中的strtod函数转化为数字,并储存在NumVal中。注意,这里可能会出现一些错误,当错误地读入“1.13.45.67”,这将被当作“1.23”处理。你可以自行去修复这个bug。下一步,我们处理注释:

if (LastChar == '#') {
      // Comment until end of line.
      do LastChar = getchar();
      while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');

      if (LastChar != EOF)
        return gettok();
    }

我们跳过注释直接来到行的末尾,然后返回下一个token。最后,如果输入不匹配上述情况,则可能时一个操作符“+”或者文件结束。这些都由下面代码处理:

// Check for end of file.  Don't eat the EOF.
    if (LastChar == EOF)
      return tok_eof;

    // Otherwise, just return the character as its ascii value.
    int ThisChar = LastChar;
    LastChar = getchar();
    return ThisChar;
  }

至此,我们有了一个完整的词法分析器(完整的词法分析代码在下一章列出)。下一步,我们将构建一个抽象语法树和一个简单解析器。我们还包括一个驱动程序,以便您将词法分析器和语法分析器结合在一起。

Kaleidoscope 语言解析器

接下来介绍如何使用词法分析器来建立一个Kaleidoscope语言解析器。一旦我们完成了解析器,我们可以定义抽象语法树(AST)。

我们的解析器将使用递归下降法和运算符优先级分析来解析Kaleidoscope语言(后者用来解析运算符表达式,前者将负责其他部分所有的解析)。在我们开始解析之前,我们先来讨论一下我们这一步的目标:生成抽象语法树。

抽象语法树(AST)

一段程序的抽象语法树很容易在接下来的阶段编译器(比如:代码生成阶段)翻译成机器码。我们通常喜欢用一种对象来构建语言,毫无疑问,抽象语法树是最贴近我们要求的模型。在 Kaleidoscope 中,我们有表达式,原型,函数对象,我们先从生成表达式的AST先:

/// ExprAST - Base class for all expression nodes.
    class ExprAST {
    public:
      virtual ~ExprAST() {}
    };

    /// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
    class NumberExprAST : public ExprAST {
      double Val;
    public:
      NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
    };

上面的代码展示了语法树节点的基类和由此继承出的数字节点子类NumberExprAST。需要注意的是,NumberExprAST会将解析出的文本转化为数字并存储起来,以便今后的编译器处理中可以获得这个节点存储的值。

现在我们只生成了AST,还没有对他们的访问方法。不过我们可以轻易地添加成员函数来实现这些访问方法,以下是Kaleidoscope中其他的AST节点的定义:

/// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
class VariableExprAST : public ExprAST {
  std::string Name;
public:
  VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
};

/// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
class BinaryExprAST : public ExprAST {
  char Op;
  ExprAST *LHS, *RHS;
public:
  BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs)
    : Op(op), LHS(lhs), RHS(rhs) {}
};

/// CallExprAST - Expression class for function calls.
class CallExprAST : public ExprAST {
  std::string Callee;
  std::vector<ExprAST*> Args;
public:
  CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
    : Callee(callee), Args(args) {}
};

这些代码相当直观:变量节点记录变量名,二元运算符节点记录运算符(如’+’),函数调用节点记录调用的函数名和函数参数列表。这样的结构相当不错,我们的AST结构记录的信息是与语法是无关的,没有涉及到运算符的优先级和词法结构。

在我们基本的语言里,以上定义了我们表达式节点所有的AST节点类型。因为我们的语言中没有定义条件控制语法(如if/else),所以这并没有做到图灵完备;我们将在后面慢慢修复它。我们现在需要做两件事情,一件是实现在Kaleidoscope中调用函数,另一件是记录函数体的本身。

/// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
/// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
/// of arguments the function takes).
class PrototypeAST {
  std::string Name;
  std::vector<std::string> Args;
public:
  PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args)
    : Name(name), Args(args) {}
};

/// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
class FunctionAST {
  PrototypeAST *Proto;
  ExprAST *Body;
public:
  FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body)
    : Proto(proto), Body(body) {}
};

在 Kaleidoscope 中,函数调用需要带有传入的参数。因为目前所有的变量都当做浮点类型,我们并不需要记录参数类型。在现代计算机语言语言中,ExprAST类应当有一个记录类型的变量。

建立了这些类型后,我们可以开始着手解析这些表达式和函数体了。

解析基础

现在我们要开始建立抽象语法树了。我们先试着解析x+y这样的表达式,这可以由这样的调用产生。

ExprAST *X = new VariableExprAST("x");
ExprAST *Y = new VariableExprAST("y");
ExprAST *Result = new BinaryExprAST('+', X, Y);

为了达到上面的目的,我们现在还需要以下的辅助函数

/// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
/// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
/// lexer and updates CurTok with its results.
static int CurTok;
static int getNextToken() {
  return CurTok = gettok();
}

以上实现了一个简单的token缓存,这使得我们可以向前读取下一个token,每一个解析器的函数将默认CurTok是当前正在被解析的token。

/// Error* - These are little helper functions for error handling.
    ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
    PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }
    FunctionAST *ErrorF(const char *Str) { Error(Str); return 0; }

错误处理函数将用来处理简单的错误。我们的解析器的错误恢复并不是最好的,也不是特别的方便,但对于我们的教程来说已经够了。这些程序可以让我们更容易地处理不同的返回类型程序的错误,在一般情况下一般返回NULL

具备好了这些基础的辅助函数,我们可以实现我们的第一个语法:解析数字。

基本表达式解析

我们先从数字开始,因为它们是最容易处理的。首先,我们先定义一个处理数字的函数:

/// numberexpr ::= number
static ExprAST *ParseNumberExpr() {
  ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
  getNextToken(); // consume the number
  return Result;
}

这一部分代码很简单:若当前的token是一个指向数字的tok_number,则调用ParseNumberExpr,它会读取当前数值,创建NumberExprAST节点,然后读取下一token,以便接下来的解析,最后,返回结果。

这其中还有一些有趣的东西。最重要的一点是,这些解析节点的代码会将所有与之相关的token都读取掉,同时在返回结果前会再次调用getNextToken来清除掉当前的token,得到下一个token(通常这个token不属于当前节点)。这在递归下降解析器中是一个普遍的做法。下面给出一个例子可以更好地理解,这个例子是关于解析一对括号的:

/// parenexpr ::= '(' expression ')'
static ExprAST *ParseParenExpr() {
  getNextToken();  // eat (.
  ExprAST *V = ParseExpression();
  if (!V) return 0;

  if (CurTok != ')')
    return Error("expected ')'");
  getNextToken();  // eat ).
  return V;
}

这个函数演示了几个关于解析器的有趣的方面:

  • 异常检测:当被调用时,这个函数会默认当前的token是(,但是当结束表达式解析后,有可能末尾的token就不是)。比如,如果用户错将(4)打成了(4 *,解析器就会检测到这个错误,为了提醒有错误发生,我们的解析器将返回NULL。
  • 递归式解析:这段函数中调用了ParseExpression(我们将很快看到ParseExpression同样会调用ParseParenExpr)。这种方式相当强大,因为它允许我们处理嵌套的语法,同时也保持了每一个过程都是相当简洁。注意,括号并不会成为抽象语法树的组成部分,它的作用是将表达式组合起来引导引导解析器正确地处理它们。当建立好了抽象语法树后,它们便可以被抛弃了。

下一步我们来写变量的解析器:

/// identifierexpr
///   ::= identifier
///   ::= identifier '(' expression* ')'
static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
  std::string IdName = IdentifierStr;

  getNextToken();  // eat identifier.

  if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
    return new VariableExprAST(IdName);

  // Call.
  getNextToken();  // eat (
  std::vector<ExprAST*> Args;
  if (CurTok != ')') {
    while (1) {
      ExprAST *Arg = ParseExpression();
      if (!Arg) return 0;
      Args.push_back(Arg);

      if (CurTok == ')') break;

      if (CurTok != ',')
        return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
      getNextToken();
    }
  }

  // Eat the ')'.
  getNextToken();

  return new CallExprAST(IdName, Args);
}

这段解析代码和其它的很类似。若当前token为tok_identifier时,该函数被调用。同样具有递归的解析思想,和同样的错误处理方法。有趣的一点是,这里还用到了一个前置判断(look-ahead)来决定当前的identifier是一个函数调用,还是一个变量。判断的方法是读取下一个token,若下一个token**不是**(,则这是函数调用这时候返回VariableExprAST,否则是使用变量,返回CallExprAST

现在我们所有的简单表达式解析器代码已经就位,我们可以定义一个辅助函数来包装并调用它们。我们把目前我们完成的简单的表达式取名为**基本表达式**(primary expressions),到后面你就会更加理解这个名字了。以下就是基本表达式解析器:

/// primary
    ///   ::= identifierexpr
    ///   ::= numberexpr
    ///   ::= parenexpr
    static ExprAST *ParsePrimary() {
      switch (CurTok) {
      default: return Error("unknown token when expecting an expression");
      case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
      case tok_number:     return ParseNumberExpr();
      case '(':            return ParseParenExpr();
      }
    }

通过基本表达式解析器,我们可以明白为什么我们要使用CurTok了,这里用了前置判断来选择并调用解析器。

现在基本的表达式解析器已经完成了,我们下一步开始处理二元表达式,这会有一点复杂。

二元表达式解析

二元表达式的解析过程相对复杂,因为二元表达式会有二义性。比如,当出现x+y*z,解析器可以选择(x+y)*z或者x+(y*z)两种解析顺序。在数学定义中,我们期望后一种解析方式,因为*+有更高的优先级。

面对优先级问题,我们可用的处理方法有很多,不过论最优雅最高效的还是要数远算符优先级分析法(Operator-Precedence Parsing)。这种解析方法借助运算符优先级来选择解析顺序,所以,起初需要一个一个优先级表格:

/// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
/// defined.
static std::map<char, int> BinopPrecedence;

/// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
static int GetTokPrecedence() {
  if (!isascii(CurTok))
    return -1;

  // Make sure it's a declared binop.
  int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
  if (TokPrec <= 0) return -1;
  return TokPrec;
}

int main() {
  // Install standard binary operators.
  // 1 is lowest precedence.
  BinopPrecedence['<'] = 10;
  BinopPrecedence['+'] = 20;
  BinopPrecedence['-'] = 20;
  BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.
  ...
}

现在我们可以开始着手解析二元表达式了,最核心的思想方法是将可能出现二义性的表达式分解成多个部分。想一下,比如表达式a+b+(c+d)*e*f+g。解析器将这个字符串看做一串由二元运算符分隔的基本表达式。因此,它将先解析第一个基本表达式a,接着将解析到成对出现的[+, b] [+, (c+d)] [, e] [, f]和 [+, g]。因为括号也是基础表达式,不用担心解析器会对“(c+d)“出现困惑。

开始解析第一步,表达式是由第一个基础表达式和之后的一连串[运算符, 基础表达式]组成。

/// expression
///   ::= primary binoprhs
///
static ExprAST *ParseExpression() {
  ExprAST *LHS = ParsePrimary();
  if (!LHS) return 0;

  return ParseBinOpRHS(0, LHS);
}

ParseBinOpRHS是为我们解析*运算符-表达式*对的函数。它记录优先级和已解析部分的指针。

优先级数值被传入ParseBinOpRHS,凡是比这个优先级值低的运算符都不能被使用。比如如果当前的解析的是[+, x],且目前传入的优先级值为40,那么函数就不会消耗任何token(因为”+”优先级值仅20)。因此我们函数应该这样写:

/// binoprhs
    ///   ::= ('+' primary)*
    static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
      // If this is a binop, find its precedence.
      while (1) {
        int TokPrec = GetTokPrecedence();

        // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
        // consume it, otherwise we are done.
        if (TokPrec < ExprPrec)
          return LHS;

这部分代码获取了当前的token的优先级值,与传入的优先级进行比较。若当前的token已经不是运算符时,我们会获得一个无效的优先级值-1,它比任何一个运算符的优先级都小,我们可以借助它来获知二元表达式已经结束。若当前的token是运算符,我们继续:

// Okay, we know this is a binop.
int BinOp = CurTok;
getNextToken();  // eat binop

// Parse the primary expression after the binary operator.
ExprAST *RHS = ParsePrimary();
if (!RHS) return 0;

就这样,这段代码消耗了(并记住了)二元运算符然后解析接下来的基本表达式。我们用[+, b]以及后续的运算符-表达式对作为示例来完成接下来的代码。

现在我们已知左侧的表达式和右侧的一组运算符-表达式对,我们必须决定用他们的关系是什么。比如我们可能会遇到”(a + b) 未知运算符”或者”a + (b 未知运算符)”这样的关系。为了决定这个关系,我们要依靠下一个运算符并与当前运算符优先级(在这个例子中是”+”)进行比较:

// If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
// the pending operator take RHS as its LHS.
int NextPrec = GetTokPrecedence();
if (TokPrec < NextPrec) {

如果右侧的运算符优先级小于等于当前的运算符,我们就可以知道当前运算符的顺序是”(a + b) 运算符 …”。在我们例子里,当前的运算符是”+”且下一个运算符是”+”,我们知道他们的优先级是一样的。因此,我们为”a + b”创建AST节点,接着,继续解析:

  ... if body omitted ...
    }

    // Merge LHS/RHS.
    LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
  }  // loop around to the top of the while loop.
}

在我们上面的例子里,将会将”a + b +”作为”a + b”并且进入下一个循环,处理下一个”+”。这些代码将消耗,记录,并将”(c + d)”作为基本表达式进行解析,即解析[+, (c + d)]。这时将进入上方的“if“语句,并比较”+”和”*”的优先级,因为这里的”*”优先级高于”+”,所以if语句将进入true分支。

现在一个关键的问题来了,那就是“上方的if语句如何完整解析剩余部分”?我们继续用上面的例子建立正确的AST树,所以我们需要得到右侧“(c + d) * e * f”表达式的指针。这部分代码相当简单(上面代码if的部分):

// If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
    // the pending operator take RHS as its LHS.
    int NextPrec = GetTokPrecedence();
    if (TokPrec < NextPrec) {
      RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
      if (RHS == 0) return 0;
    }
    // Merge LHS/RHS.
    LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
  }  // loop around to the top of the while loop.
}

至此,我们知道右侧的二元运算符优先级应当高于当前的运算符。所以,任意拥有比“+”更高优先级的运算符-表达式对应当作为RHS变量返回。因此我们递归调用ParseBinOpRHS函数,并特别地将当前的优先级值加一,即”TokPrec + 1″。在我们以上的例子中,“(c+d)*e*f”将作为AST节点返回到RHS

最后,在最后一个循环中解析完毕”+ g”部分。至此,我们用这一点点代码(14行不记空行和注视的代码)成功地以一种优雅的方式解析完了整个二元表达式。由于篇幅有限,也许有一些部分你还存在不解,我希望你能对这些代码多进行一下实验,以便熟悉它的工作原理,扫清困惑。

目前,我们仅仅完成对表达式的解析,下一步我们要进一步完善语法。

其它解析

下一步的目标是处理函数声明。在Kaleidoscope中有两种函数声明方式,一是用”extern”声明外部函数,二是直接声明函数体。实现这部分的代码很简单直接,但是并不那么有趣:

/// prototype
    ///   ::= id '(' id* ')'
    static PrototypeAST *ParsePrototype() {
      if (CurTok != tok_identifier)
        return ErrorP("Expected function name in prototype");

      std::string FnName = IdentifierStr;
      getNextToken();

      if (CurTok != '(')
        return ErrorP("Expected '(' in prototype");

      // Read the list of argument names.
      std::vector<std::string> ArgNames;
      while (getNextToken() == tok_identifier)
        ArgNames.push_back(IdentifierStr);
      if (CurTok != ')')
        return ErrorP("Expected ')' in prototype");

      // success.
      getNextToken();  // eat ')'.

      return new PrototypeAST(FnName, ArgNames);
    }

有了以上,记录一个声明的函数就很简单了——仅仅需要保存一个函数原型和函数体的一串表达式:

/// definition ::= 'def' prototype expression
static FunctionAST *ParseDefinition() {
  getNextToken();  // eat def.
  PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
  if (Proto == 0) return 0;

  if (ExprAST *E = ParseExpression())
    return new FunctionAST(Proto, E);
  return 0;
}

另外,我们也支持”extern”声明外部函数比如”sin”和”cos”或者用户定义的函数。”extern”与上面函数声明的区别仅仅在于没有具体的函数体:

/// external ::= 'extern' prototype
static PrototypeAST *ParseExtern() {
  getNextToken();  // eat extern.
  return ParsePrototype();
}

最后,我们将让用户输入任意的外层表达式(top-level expressions),在运行的同时会计算出表达式结果。为此,我们需要处理无参数函数:

/// toplevelexpr ::= expression
static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
  if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
    // Make an anonymous proto.
    PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
    return new FunctionAST(Proto, E);
  }
  return 0;
}

现在我们完成了所有的零碎的部分,让我们用一段短小的驱动代码来调用他们吧!

驱动代码

驱动代码功能很简单,即在解析时调用相应的解析函数。其中没有什么有趣的地方,让我们看看这部分的代码:

/// top ::= definition | external | expression | ';'
static void MainLoop() {
  while (1) {
    fprintf(stderr, "ready> ");
    switch (CurTok) {
    case tok_eof:    return;
    case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
    case tok_def:    HandleDefinition(); break;
    case tok_extern: HandleExtern(); break;
    default:         HandleTopLevelExpression(); break;
    }
  }
}

这里我们忽略了分号。你也许会问,这是为什么呢?最基本的理由是:如果你在命令行输入“4 + 5”,解析器并不知道这个表达式是否结束。比如,你在下一行可能会输入“def foo…”,这时候“4 + 5”是一个完整的表达式;相反地,如果你下一行输入“* 6”,那么上面的表达式还要继续解析。所以,在解析层加入分号的解析,是用来辅助判断输入是否结束。

结论 “”

通过400行的代码(240行有效代码),我们完整地定义了最基本的语言,包括词法分析器,解析器,和AST树工厂。目前,我们的代码可以检测输入的代码是否具有正确的语法,比如,这里有一个简单的输入和输出:

$ ./a.out
ready> def foo(x y) x+foo(y, 4.0);
Parsed a function definition.
ready> def foo(x y) x+y y;
Parsed a function definition.
Parsed a top-level expr
ready> def foo(x y) x+y );
Parsed a function definition.
Error: unknown token when expecting an expression
ready> extern sin(a);
ready> Parsed an extern
ready> ^D
$

目前Kaleidoscope还有很多扩展空间,比如你可以定义新的AST节点,扩展语法等等。在下一章,我们将介绍如何从AST生成LLVM中间代码(Intermediate Representation,简称IR)

完整代码

这里是上一章和这章完整的代码。注意,这里的代码并不依赖任何外部库:你不需要LLVM或者其它外部链接库(当然,除了C和C++的标准库)。编译命令如下:

# Compile
    clang++ -g -O3 toy.cpp
    # Run
    ./a.out

这里是完整代码:

#include <cctype>
#include <cstdio>
#include <cstdlib>
#include <map>
#include <string>
#include <vector>

//===----------------------------------------------------------------------===//
// Lexer
//===----------------------------------------------------------------------===//

// The lexer returns tokens [0-255] if it is an unknown character, otherwise one
// of these for known things.
enum Token {
  tok_eof = -1,

  // commands
  tok_def = -2, tok_extern = -3,

  // primary
  tok_identifier = -4, tok_number = -5
};

static std::string IdentifierStr;  // Filled in if tok_identifier
static double NumVal;              // Filled in if tok_number

/// gettok - Return the next token from standard input.
static int gettok() {
  static int LastChar = ' ';

  // Skip any whitespace.
  while (isspace(LastChar))
    LastChar = getchar();

  if (isalpha(LastChar)) { // identifier: [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;
    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(), 0);
    return tok_number;
  }

  if (LastChar == '#') {
    // Comment until end of line.
    do LastChar = getchar();
    while (LastChar != EOF && LastChar != '\n' && LastChar != '\r');

    if (LastChar != EOF)
      return gettok();
  }

  // Check for end of file.  Don't eat the EOF.
  if (LastChar == EOF)
    return tok_eof;

  // Otherwise, just return the character as its ascii value.
  int ThisChar = LastChar;
  LastChar = getchar();
  return ThisChar;
}

//===----------------------------------------------------------------------===//
// Abstract Syntax Tree (aka Parse Tree)
//===----------------------------------------------------------------------===//
namespace {
/// ExprAST - Base class for all expression nodes.
class ExprAST {
public:
  virtual ~ExprAST() {}
};

/// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
class NumberExprAST : public ExprAST {
public:
  NumberExprAST(double val) {}
};

/// VariableExprAST - Expression class for referencing a variable, like "a".
class VariableExprAST : public ExprAST {
  std::string Name;
public:
  VariableExprAST(const std::string &name) : Name(name) {}
};

/// BinaryExprAST - Expression class for a binary operator.
class BinaryExprAST : public ExprAST {
public:
  BinaryExprAST(char op, ExprAST *lhs, ExprAST *rhs) {}
};

/// CallExprAST - Expression class for function calls.
class CallExprAST : public ExprAST {
  std::string Callee;
  std::vector<ExprAST*> Args;
public:
  CallExprAST(const std::string &callee, std::vector<ExprAST*> &args)
    : Callee(callee), Args(args) {}
};

/// PrototypeAST - This class represents the "prototype" for a function,
/// which captures its name, and its argument names (thus implicitly the number
/// of arguments the function takes).
class PrototypeAST {
  std::string Name;
  std::vector<std::string> Args;
public:
  PrototypeAST(const std::string &name, const std::vector<std::string> &args)
    : Name(name), Args(args) {}

};

/// FunctionAST - This class represents a function definition itself.
class FunctionAST {
public:
  FunctionAST(PrototypeAST *proto, ExprAST *body) {}
};
} // end anonymous namespace

//===----------------------------------------------------------------------===//
// Parser
//===----------------------------------------------------------------------===//

/// CurTok/getNextToken - Provide a simple token buffer.  CurTok is the current
/// token the parser is looking at.  getNextToken reads another token from the
/// lexer and updates CurTok with its results.
static int CurTok;
static int getNextToken() {
  return CurTok = gettok();
}

/// BinopPrecedence - This holds the precedence for each binary operator that is
/// defined.
static std::map<char, int> BinopPrecedence;

/// GetTokPrecedence - Get the precedence of the pending binary operator token.
static int GetTokPrecedence() {
  if (!isascii(CurTok))
    return -1;

  // Make sure it's a declared binop.
  int TokPrec = BinopPrecedence[CurTok];
  if (TokPrec <= 0) return -1;
  return TokPrec;
}

/// Error* - These are little helper functions for error handling.
ExprAST *Error(const char *Str) { fprintf(stderr, "Error: %s\n", Str);return 0;}
PrototypeAST *ErrorP(const char *Str) { Error(Str); return 0; }

static ExprAST *ParseExpression();

/// identifierexpr
///   ::= identifier
///   ::= identifier '(' expression* ')'
static ExprAST *ParseIdentifierExpr() {
  std::string IdName = IdentifierStr;

  getNextToken();  // eat identifier.

  if (CurTok != '(') // Simple variable ref.
    return new VariableExprAST(IdName);

  // Call.
  getNextToken();  // eat (
  std::vector<ExprAST*> Args;
  if (CurTok != ')') {
    while (1) {
      ExprAST *Arg = ParseExpression();
      if (!Arg) return 0;
      Args.push_back(Arg);

      if (CurTok == ')') break;

      if (CurTok != ',')
        return Error("Expected ')' or ',' in argument list");
      getNextToken();
    }
  }

  // Eat the ')'.
  getNextToken();

  return new CallExprAST(IdName, Args);
}

/// numberexpr ::= number
static ExprAST *ParseNumberExpr() {
  ExprAST *Result = new NumberExprAST(NumVal);
  getNextToken(); // consume the number
  return Result;
}

/// parenexpr ::= '(' expression ')'
static ExprAST *ParseParenExpr() {
  getNextToken();  // eat (.
  ExprAST *V = ParseExpression();
  if (!V) return 0;

  if (CurTok != ')')
    return Error("expected ')'");
  getNextToken();  // eat ).
  return V;
}

/// primary
///   ::= identifierexpr
///   ::= numberexpr
///   ::= parenexpr
static ExprAST *ParsePrimary() {
  switch (CurTok) {
  default: return Error("unknown token when expecting an expression");
  case tok_identifier: return ParseIdentifierExpr();
  case tok_number:     return ParseNumberExpr();
  case '(':            return ParseParenExpr();
  }
}

/// binoprhs
///   ::= ('+' primary)*
static ExprAST *ParseBinOpRHS(int ExprPrec, ExprAST *LHS) {
  // If this is a binop, find its precedence.
  while (1) {
    int TokPrec = GetTokPrecedence();

    // If this is a binop that binds at least as tightly as the current binop,
    // consume it, otherwise we are done.
    if (TokPrec < ExprPrec)
      return LHS;

    // Okay, we know this is a binop.
    int BinOp = CurTok;
    getNextToken();  // eat binop

    // Parse the primary expression after the binary operator.
    ExprAST *RHS = ParsePrimary();
    if (!RHS) return 0;

    // If BinOp binds less tightly with RHS than the operator after RHS, let
    // the pending operator take RHS as its LHS.
    int NextPrec = GetTokPrecedence();
    if (TokPrec < NextPrec) {
      RHS = ParseBinOpRHS(TokPrec+1, RHS);
      if (RHS == 0) return 0;
    }

    // Merge LHS/RHS.
    LHS = new BinaryExprAST(BinOp, LHS, RHS);
  }
}

/// expression
///   ::= primary binoprhs
///
static ExprAST *ParseExpression() {
  ExprAST *LHS = ParsePrimary();
  if (!LHS) return 0;

  return ParseBinOpRHS(0, LHS);
}

/// prototype
///   ::= id '(' id* ')'
static PrototypeAST *ParsePrototype() {
  if (CurTok != tok_identifier)
    return ErrorP("Expected function name in prototype");

  std::string FnName = IdentifierStr;
  getNextToken();

  if (CurTok != '(')
    return ErrorP("Expected '(' in prototype");

  std::vector<std::string> ArgNames;
  while (getNextToken() == tok_identifier)
    ArgNames.push_back(IdentifierStr);
  if (CurTok != ')')
    return ErrorP("Expected ')' in prototype");

  // success.
  getNextToken();  // eat ')'.

  return new PrototypeAST(FnName, ArgNames);
}

/// definition ::= 'def' prototype expression
static FunctionAST *ParseDefinition() {
  getNextToken();  // eat def.
  PrototypeAST *Proto = ParsePrototype();
  if (Proto == 0) return 0;

  if (ExprAST *E = ParseExpression())
    return new FunctionAST(Proto, E);
  return 0;
}

/// toplevelexpr ::= expression
static FunctionAST *ParseTopLevelExpr() {
  if (ExprAST *E = ParseExpression()) {
    // Make an anonymous proto.
    PrototypeAST *Proto = new PrototypeAST("", std::vector<std::string>());
    return new FunctionAST(Proto, E);
  }
  return 0;
}

/// external ::= 'extern' prototype
static PrototypeAST *ParseExtern() {
  getNextToken();  // eat extern.
  return ParsePrototype();
}

//===----------------------------------------------------------------------===//
// Top-Level parsing
//===----------------------------------------------------------------------===//

static void HandleDefinition() {
  if (ParseDefinition()) {
    fprintf(stderr, "Parsed a function definition.\n");
  } else {
    // Skip token for error recovery.
    getNextToken();
  }
}

static void HandleExtern() {
  if (ParseExtern()) {
    fprintf(stderr, "Parsed an extern\n");
  } else {
    // Skip token for error recovery.
    getNextToken();
  }
}

static void HandleTopLevelExpression() {
  // Evaluate a top-level expression into an anonymous function.
  if (ParseTopLevelExpr()) {
    fprintf(stderr, "Parsed a top-level expr\n");
  } else {
    // Skip token for error recovery.
    getNextToken();
  }
}

/// top ::= definition | external | expression | ';'
static void MainLoop() {
  while (1) {
    fprintf(stderr, "ready> ");
    switch (CurTok) {
    case tok_eof:    return;
    case ';':        getNextToken(); break;  // ignore top-level semicolons.
    case tok_def:    HandleDefinition(); break;
    case tok_extern: HandleExtern(); break;
    default:         HandleTopLevelExpression(); break;
    }
  }
}

//===----------------------------------------------------------------------===//
// Main driver code.
//===----------------------------------------------------------------------===//

int main() {
  // Install standard binary operators.
  // 1 is lowest precedence.
  BinopPrecedence['<'] = 10;
  BinopPrecedence['+'] = 20;
  BinopPrecedence['-'] = 20;
  BinopPrecedence['*'] = 40;  // highest.

  // Prime the first token.
  fprintf(stderr, "ready> ");
  getNextToken();

  // Run the main "interpreter loop" now.
  MainLoop();

  return 0;
}

从 AST 转换到 LLVM 中间码

接下来介绍你如何从 AST 转换到 LLVM 中间码。你将接触到一点LLVM的工作原理,你会发现使用LLVM相当容易——生成LLVM中间码要比建立词法分析器和解析器容易得多。

注意:这部分的代码要求LLVM版本大于等于2.2。2.1以及更早的版本不兼容这部分代码。还有你引入的库文件应当和你使用的LLVM版本相同:如果你在使用官方的 release 版,你可以在找到相应的库文件。 http://llvm.org/releases/

中间码生成配置

为了生成中间码,我们需要代码上一些简单的配置。首先我们要在每一个AST类中添加虚函数(codegen):

/// ExprAST - Base class for all expression nodes.
class ExprAST {
public:
  virtual ~ExprAST() {}
  virtual Value *Codegen() = 0;
};

/// NumberExprAST - Expression class for numeric literals like "1.0".
class NumberExprAST : public ExprAST {
  double Val;
public:
  NumberExprAST(double val) : Val(val) {}
  virtual Value *Codegen();
};

Codegen() 运行后会生成中间码以及其它运行时需要的信息,这些信息以 LLVM value 对象形式返回。Value 类用来表示LLVM中的“静态单赋值寄存器(Static Single Assignment register)”或者 SSA value。SSA值的特点是,它在经过相关指令计算出,并不能被改变(除非程序从头来过)。换句话说,SSA是个常量。你想了解SSA更多的话,请阅读 静态单赋值,一旦你了解它,你会发现这相当简单。

值得说的是,除了添加 Codegen() 虚函数外,使用访客模式也是一种很好的方法。重申一遍,这个教程并不是停留在使用优雅的方法实践软件工程上;对于我们的目的来说,使用虚函数是最简单的方法。

第二件事情要注意的是,我们在解析器中使用的“Error”方法将用来报告错误(比如,使用了一个未声明的变量。)

Value *ErrorV(const char *Str) { Error(Str); return 0; }

static Module *TheModule;
static IRBuilder<> Builder(getGlobalContext());
static std::map<std::string, Value*> NamedValues;

静态变量会在整个代码生成阶段中被中使用,TheModule 便是一个用来储存这些函数以及全局变量的LLVM结构体。在某种程度上,这就是LLVM中间码所构造的顶层结构。

Builder 是一个辅助对象,用来为生成LLVM指令提供方便。它是 IRBuilder 类的实例,用来标记当前位置以插入新的指令。

NameValues 键值表保存了当前的代码范围内定义的值,和记录并表示这些值的LLVM对象(换句话说,这就是当前代码的符号表)。在这种形式下,唯一可以参考的是函数参数(In this form of Kaleidoscope, the only things that can be referenced are function parameters. )。因此,当生成函数体代码时,函数参数会被记录到这个表里去。

当这些搭建完毕后,我们离为每句表达式生成代码更近了一步。我们还需要做的是配置好 Builder,但现在,假设我们已经将 Builder 已经配置完毕,开始用它来生成代码。

表达式代码生成

从表达式生成LLVM代码相当直接:4种表达式节点总共不到45行带注释的代码。我们依次将这四种节点列出来:

Value *NumberExprAST::Codegen() {
  return ConstantFP::get(getGlobalContext(), APFloat(Val));
}

在LLVM中间码里,数字常量用 ConstantFP 类来表示,它将数字储存在内部的 APFloat 中(APFloat 可以存储任意精度的浮点数)。这段代码主要用来创建和返回一个 ConstantFP。注意在LLVM中间码中,所有的常量都是唯一并共享的。所以,我们用了LLVM中的API”foo::get(…)”而不是“new foo(..)”或者“foo::Create(..)”。

Value *VariableExprAST::Codegen() {
      // Look this variable up in the function.
      Value *V = NamedValues[Name];
      return V ? V : ErrorV("Unknown variable name");
    }

引用变量也很简单,在Kaleidoscope的最初版本中,我们假定变量已经在某处被声明,且值是有效的。因为只有已经在NamedValues被声明的才是函数参数,这段代码检查变量名是否在NamedValues中(假如不在,说明引用了一个未知变量)并返回它的值。在接下来的章节里,我们会在符号表中添加对循环变量和本地变量的支持。

Value *BinaryExprAST::Codegen() {
      Value *L = LHS->Codegen();
      Value *R = RHS->Codegen();
      if (L == 0 || R == 0) return 0;

      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");
        // Convert bool 0/1 to double 0.0 or 1.0
        return Builder.CreateUIToFP(L, Type::getDoubleTy(getGlobalContext()),
                                    "booltmp");
      default: return ErrorV("invalid binary operator");
      }
    }

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关于作者

JSmiles

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