今回は、加算、減算が出来るコンパイラをScalaで実装します。
ターゲットとしている環境はx86-64のmac osxです。
実装内容
Scalaで行う事は構文木からe.llファイルを出力し、LLVMのllcコマンドでe.sを作成しgccでe.sを実行ファイルに変換します。テストが面倒なので実行もして結果を表示します。
コンパイラの構成はMinCaml[1]を参考にしています。
LLVMのインストール
OSXの環境の場合、LLVMのダウンロードページからバイナリをダウンロードし、パスを通します。xcodeが入っていない場合は、xcodeのインストールも必要です。
LLVMの言語の詳細についてはLLVM言語マニュアル(翻訳版)[2]やLLVM言語マニュアル[3]を参照してください。LLVMのインストールの詳細はここでは説明しません。LLCが使えるように環境を整えてください。LLVM入門[4]やEmscriptenとLDCを使えばD言語のSDLゲームがブラウザで動かせる、かも[5]等を参考にインストールしてください。書籍ではきつねさんでもわかるLLVM PDF版[6]やきつねさんでもわかるLLVM[7]が参考になるでしょう。
実装の詳細
Eが式を表します。
sealed trait E {
def t:T
}
case class ELdc(t:T, i:Long) extends E
case class EBin(t:T, s:String, l:E, r:E) extends E
case class EPrint(t:T, a:E) extends E
case class EBlock(t: T, ls: List[E]) extends E
Tが型を表します。
sealed trait T
case class Ti(i:Int) extends T
case object Tv extends T
case class TFun(t: T, prms: List[T]) extends T
補助関数としてEAdd,EMulを作ります。ここはkmizuさんに教えてもらって短く書けています。
case class Op(s: String) {
def apply(t: T, a: E, b: E): E = {
EBin(t, s, a, b)
}
}
object EAdd extends Op("add")
object EMul extends Op("mul")
Rはレジスタを表します。
sealed trait R {
def t:T
def id:String
}
case class RG(t:T, id: String) extends R
case class RL(t:T, id: String) extends R
case class RR(t:T, id: String) extends R
case class RN(t:T, id: String) extends R
emit.llrでプリンターを定義しています。
def llr(r:R): String = {
r match {
case RG(t,id) => "@" + id
case RL(t,id) => "%" + id
case RR(t,id) => "%." + id
case RN(t,id) => "" + id
}
}
testオブジェクトがメイン関数で、テスト用のastを用意し、コンパイル、実行をしています。
object test {
def main(argv: Array[String]) {
try {
val ast = EBlock(Tv, List(
EPrint(Ti(32), ELdc(Ti(32), 11)),
EPrint(Ti(32), EAdd(Ti(32), ELdc(Ti(32), 11), ELdc(Ti(32), 22)))
))
println("ast=" + ast)
val ll = kNormal(ast)
println("ll=" + ll)
emit("e.ll", ll)
println(exec("llc e.ll -o e.s"))
println(exec("llvm-gcc -m64 e.s -o e"))
println(exec("./e"))
} catch {
case e:Throwable => e.printStackTrace()
}
}
}
object kNormal は長くなるのでソースは省略しますが、複雑な式を平たくしEをLLに変換します。addメソッドでリストにLLを追加しています。
LLはLLVMのアセンブラをデータとして扱えるようにしたものです。
sealed trait LL
case class LLCall(id: R, op: R, prms: List[(T, R)]) extends LL
case class LLBin(id: R, op: String, a: R, b: R) extends LL
最後にemitでLLをasmを使ってファイルに出力します。
lltで型を文字列に変換し、llrでレジスタを文字列に変換します。
oはa=hogeという出力をするための補助関数です。fが変換の本体。applyでは、print_i32とprint_i8関数とメイン関数を作成し、fを呼び出しています。
genidは新しくidを作る関数で、文字列を受け取り、毎回カウントアップされるカウント値を付けて返します。
asmはファイルをオープンし文字列を出力するオブジェクトです。ラベルを使う時はlabelメソッドを使い、通常はasmで出力します。インラインアセンブラを使うような感覚でLLVMのコードを出力するので分かりやすいのではないかと考えています。
execは外部プロセスを起動して、結果の値と標準出力、エラー出力の結果をタプルで返します。
以下に実装の全体を示します。
package chapter02
import java.io._
sealed trait E {
def t:T
}
case class ELdc(t:T, i:Long) extends E
case class EBin(t:T, s:String, l:E, r:E) extends E
case class EPrint(t:T, a:E) extends E
case class EBlock(t: T, ls: List[E]) extends E
sealed trait T
case class Ti(i:Int) extends T
case object Tv extends T
case class TFun(t: T, prms: List[T]) extends T
case class Op(s: String) {
def apply(t: T, a: E, b: E): E = {
EBin(t, s, a, b)
}
}
object EAdd extends Op("add")
object EMul extends Op("mul")
sealed trait R {
def t:T
def id:String
}
case class RG(t:T, id: String) extends R
case class RL(t:T, id: String) extends R
case class RR(t:T, id: String) extends R
case class RN(t:T, id: String) extends R
object test {
def main(argv: Array[String]) {
try {
val ast = EBlock(Tv, List(
EPrint(Ti(32), ELdc(Ti(32), 11)),
EPrint(Ti(32), EAdd(Ti(32), ELdc(Ti(32), 11), ELdc(Ti(32), 22)))
))
println("ast=" + ast)
val ll = kNormal(ast)
println("ll=" + ll)
emit("e.ll", ll)
println(exec("llc e.ll -o e.s"))
println(exec("llvm-gcc -m64 e.s -o e"))
println(exec("./e"))
} catch {
case e:Throwable => e.printStackTrace()
}
}
}
object kNormal {
def gid(t:T): R = {
RR(t,genid(""))
}
var ls: List[LL] = null
def add(l: LL) {
ls = l :: ls
}
def f(a: E): R = {
a match {
case EBin(t, op, a1, b1) =>
(f(a1), f(b1), gid(t)) match {
case (a, b, id) =>
if (t != a.t || t != b.t) throw new Exception("type mismatch " + t)
add(LLBin(id, op, a, b))
id
}
case ELdc(t, i) => RN(t, ""+i)
case EPrint(t, a) =>
f(a) match {
case a =>
if (t != a.t) throw new Exception("type mismatch t=" + t + " ta=" + a.t)
add(LLCall(null, RG(TFun(Tv, List(t)), "print_" + emit.llt(t)), List((a.t, a))))
a
}
case EBlock(t, ls) =>
ls.foldLeft(null: R) {
case (tid, l) => f(l)
}
}
}
def apply(a: E): List[LL] = {
ls = List[LL]()
f(a)
ls.reverse
}
}
sealed trait LL
case class LLCall(id: R, op: R, prms: List[(T, R)]) extends LL
case class LLBin(id: R, op: String, a: R, b: R) extends LL
object emit {
def llt(t:T):String = {
t match {
case Ti(i) => "i" + i
case Tv => "void"
case TFun(t, ls) => llt(t) + "(" + ls.map(llt).mkString(", ") + ")*"
}
}
def llr(r:R): String = {
r match {
case RG(t,id) => "@" + id
case RL(t,id) => "%" + id
case RR(t,id) => "%." + id
case RN(t,id) => "" + id
}
}
def o(id: R, out: String) {
if (id != null) asm(llr(id) + " = " + out)
else asm(out)
}
def f(l: LL) {
l match {
case LLCall(id, op, prms) =>
val ps = prms.map { case (a, b) => llt(a) + " " + llr(b) }.mkString(", ")
o(id, "call " + llt(op.t) + " " + llr(op) + "(" + ps + ") nounwind")
case LLBin(id, op, a, b) =>
o(id, op + " " + llt(id.t) + " " + llr(a) + ", " + llr(b))
}
}
def apply(file: String, ls: List[LL]) {
asm.open(file)
asm.label("@.str = private constant [4 x i8] c\"%d\\0A\\00\"")
asm.label("define void @print_i32(i32 %a) nounwind ssp {")
asm.label("entry:")
asm("call i32 (i8*, ...)* @printf(i8* getelementptr inbounds ([4 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i32 %a) nounwind")
asm("ret void")
asm.label("}")
asm.label("define void @print_i8(i8 %a) nounwind ssp {")
asm.label("entry:")
asm("call i32 (i8*, ...)* @printf(i8* getelementptr inbounds ([4 x i8]* @.str, i64 0, i64 0), i8 %a) nounwind")
asm("ret void")
asm.label("}")
asm.label("declare i32 @printf(i8*, ...) nounwind")
asm.label("define i32 @main() nounwind ssp {")
asm.label("entry:")
ls.foreach(f)
asm("ret i32 0")
asm.label("}")
asm.close()
}
}
object genid {
var id = 0
def apply(s: String): String = {
id += 1
s + id
}
}
object asm {
var p: PrintWriter = null
def open(file: String) {
p = new PrintWriter(new BufferedWriter(new FileWriter(file)))
}
var indent: String = ""
def apply(s: String, n: String = "") {
val v = indent + s + "\t" + n + "\n"
p.print(v)
}
def label(s: String) {
asm.indent = "";
apply(s)
asm.indent = "\t";
}
def close() {
p.close()
}
}
object exec {
def apply(cmd: String): (Int, String, String) = {
val p = Runtime.getRuntime().exec(cmd)
val stdin = (readAll(p.getInputStream()))
val stderr = (readAll(p.getErrorStream()))
(p.waitFor(), stdin, stderr)
}
def readAll(p: InputStream): String = {
def f(s: String, i: BufferedReader): String = {
i.readLine() match {
case null => s
case a => f(s + a + "\n", i)
}
}
f("", new BufferedReader(new InputStreamReader(p)))
}
}
まとめ
LLVMを使って加算、乗算が出来るコンパイラをつくりました。