[X86] Rename the VEX scalar fma builtins to end with a '3' to match gcc
[llvm-complete.git] / docs / tutorial / BuildingAJIT1.rst
blob9d7f50477836ea443a30e09b0e0d89c59ba72543
1 =======================================================
2 Building a JIT: Starting out with KaleidoscopeJIT
3 =======================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Chapter 1 Introduction
9 ======================
11 Welcome to Chapter 1 of the "Building an ORC-based JIT in LLVM" tutorial. This
12 tutorial runs through the implementation of a JIT compiler using LLVM's
13 On-Request-Compilation (ORC) APIs. It begins with a simplified version of the
14 KaleidoscopeJIT class used in the
15 `Implementing a language with LLVM <LangImpl01.html>`_ tutorials and then
16 introduces new features like optimization, lazy compilation and remote
17 execution.
19 The goal of this tutorial is to introduce you to LLVM's ORC JIT APIs, show how
20 these APIs interact with other parts of LLVM, and to teach you how to recombine
21 them to build a custom JIT that is suited to your use-case.
23 The structure of the tutorial is:
25 - Chapter #1: Investigate the simple KaleidoscopeJIT class. This will
26   introduce some of the basic concepts of the ORC JIT APIs, including the
27   idea of an ORC *Layer*.
29 - `Chapter #2 <BuildingAJIT2.html>`_: Extend the basic KaleidoscopeJIT by adding
30   a new layer that will optimize IR and generated code.
32 - `Chapter #3 <BuildingAJIT3.html>`_: Further extend the JIT by adding a
33   Compile-On-Demand layer to lazily compile IR.
35 - `Chapter #4 <BuildingAJIT4.html>`_: Improve the laziness of our JIT by
36   replacing the Compile-On-Demand layer with a custom layer that uses the ORC
37   Compile Callbacks API directly to defer IR-generation until functions are
38   called.
40 - `Chapter #5 <BuildingAJIT5.html>`_: Add process isolation by JITing code into
41   a remote process with reduced privileges using the JIT Remote APIs.
43 To provide input for our JIT we will use the Kaleidoscope REPL from
44 `Chapter 7 <LangImpl07.html>`_ of the "Implementing a language in LLVM tutorial",
45 with one minor modification: We will remove the FunctionPassManager from the
46 code for that chapter and replace it with optimization support in our JIT class
47 in Chapter #2.
49 Finally, a word on API generations: ORC is the 3rd generation of LLVM JIT API.
50 It was preceded by MCJIT, and before that by the (now deleted) legacy JIT.
51 These tutorials don't assume any experience with these earlier APIs, but
52 readers acquainted with them will see many familiar elements. Where appropriate
53 we will make this connection with the earlier APIs explicit to help people who
54 are transitioning from them to ORC.
56 JIT API Basics
57 ==============
59 The purpose of a JIT compiler is to compile code "on-the-fly" as it is needed,
60 rather than compiling whole programs to disk ahead of time as a traditional
61 compiler does. To support that aim our initial, bare-bones JIT API will be:
63 1. Handle addModule(Module &M) -- Make the given IR module available for
64    execution.
65 2. JITSymbol findSymbol(const std::string &Name) -- Search for pointers to
66    symbols (functions or variables) that have been added to the JIT.
67 3. void removeModule(Handle H) -- Remove a module from the JIT, releasing any
68    memory that had been used for the compiled code.
70 A basic use-case for this API, executing the 'main' function from a module,
71 will look like:
73 .. code-block:: c++
75   std::unique_ptr<Module> M = buildModule();
76   JIT J;
77   Handle H = J.addModule(*M);
78   int (*Main)(int, char*[]) = (int(*)(int, char*[]))J.getSymbolAddress("main");
79   int Result = Main();
80   J.removeModule(H);
82 The APIs that we build in these tutorials will all be variations on this simple
83 theme. Behind the API we will refine the implementation of the JIT to add
84 support for optimization and lazy compilation. Eventually we will extend the
85 API itself to allow higher-level program representations (e.g. ASTs) to be
86 added to the JIT.
88 KaleidoscopeJIT
89 ===============
91 In the previous section we described our API, now we examine a simple
92 implementation of it: The KaleidoscopeJIT class [1]_ that was used in the
93 `Implementing a language with LLVM <LangImpl01.html>`_ tutorials. We will use
94 the REPL code from `Chapter 7 <LangImpl07.html>`_ of that tutorial to supply the
95 input for our JIT: Each time the user enters an expression the REPL will add a
96 new IR module containing the code for that expression to the JIT. If the
97 expression is a top-level expression like '1+1' or 'sin(x)', the REPL will also
98 use the findSymbol method of our JIT class find and execute the code for the
99 expression, and then use the removeModule method to remove the code again
100 (since there's no way to re-invoke an anonymous expression). In later chapters
101 of this tutorial we'll modify the REPL to enable new interactions with our JIT
102 class, but for now we will take this setup for granted and focus our attention on
103 the implementation of our JIT itself.
105 Our KaleidoscopeJIT class is defined in the KaleidoscopeJIT.h header. After the
106 usual include guards and #includes [2]_, we get to the definition of our class:
108 .. code-block:: c++
110   #ifndef LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_KALEIDOSCOPEJIT_H
111   #define LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_KALEIDOSCOPEJIT_H
113   #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
114   #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
115   #include "llvm/ExecutionEngine/JITSymbol.h"
116   #include "llvm/ExecutionEngine/RTDyldMemoryManager.h"
117   #include "llvm/ExecutionEngine/SectionMemoryManager.h"
118   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/CompileUtils.h"
119   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/IRCompileLayer.h"
120   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/LambdaResolver.h"
121   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/RTDyldObjectLinkingLayer.h"
122   #include "llvm/IR/DataLayout.h"
123   #include "llvm/IR/Mangler.h"
124   #include "llvm/Support/DynamicLibrary.h"
125   #include "llvm/Support/raw_ostream.h"
126   #include "llvm/Target/TargetMachine.h"
127   #include <algorithm>
128   #include <memory>
129   #include <string>
130   #include <vector>
132   namespace llvm {
133   namespace orc {
135   class KaleidoscopeJIT {
136   private:
137     std::unique_ptr<TargetMachine> TM;
138     const DataLayout DL;
139     RTDyldObjectLinkingLayer ObjectLayer;
140     IRCompileLayer<decltype(ObjectLayer), SimpleCompiler> CompileLayer;
142   public:
143     using ModuleHandle = decltype(CompileLayer)::ModuleHandleT;
145 Our class begins with four members: A TargetMachine, TM, which will be used to
146 build our LLVM compiler instance; A DataLayout, DL, which will be used for
147 symbol mangling (more on that later), and two ORC *layers*: an
148 RTDyldObjectLinkingLayer and a CompileLayer. We'll be talking more about layers
149 in the next chapter, but for now you can think of them as analogous to LLVM
150 Passes: they wrap up useful JIT utilities behind an easy to compose interface.
151 The first layer, ObjectLayer, is the foundation of our JIT: it takes in-memory
152 object files produced by a compiler and links them on the fly to make them
153 executable. This JIT-on-top-of-a-linker design was introduced in MCJIT, however
154 the linker was hidden inside the MCJIT class. In ORC we expose the linker so
155 that clients can access and configure it directly if they need to. In this
156 tutorial our ObjectLayer will just be used to support the next layer in our
157 stack: the CompileLayer, which will be responsible for taking LLVM IR, compiling
158 it, and passing the resulting in-memory object files down to the object linking
159 layer below.
161 That's it for member variables, after that we have a single typedef:
162 ModuleHandle. This is the handle type that will be returned from our JIT's
163 addModule method, and can be passed to the removeModule method to remove a
164 module. The IRCompileLayer class already provides a convenient handle type
165 (IRCompileLayer::ModuleHandleT), so we just alias our ModuleHandle to this.
167 .. code-block:: c++
169   KaleidoscopeJIT()
170       : TM(EngineBuilder().selectTarget()), DL(TM->createDataLayout()),
171         ObjectLayer([]() { return std::make_shared<SectionMemoryManager>(); }),
172         CompileLayer(ObjectLayer, SimpleCompiler(*TM)) {
173     llvm::sys::DynamicLibrary::LoadLibraryPermanently(nullptr);
174   }
176   TargetMachine &getTargetMachine() { return *TM; }
178 Next up we have our class constructor. We begin by initializing TM using the
179 EngineBuilder::selectTarget helper method which constructs a TargetMachine for
180 the current process. Then we use our newly created TargetMachine to initialize
181 DL, our DataLayout. After that we need to initialize our ObjectLayer. The
182 ObjectLayer requires a function object that will build a JIT memory manager for
183 each module that is added (a JIT memory manager manages memory allocations,
184 memory permissions, and registration of exception handlers for JIT'd code). For
185 this we use a lambda that returns a SectionMemoryManager, an off-the-shelf
186 utility that provides all the basic memory management functionality required for
187 this chapter. Next we initialize our CompileLayer. The CompileLayer needs two
188 things: (1) A reference to our object layer, and (2) a compiler instance to use
189 to perform the actual compilation from IR to object files. We use the
190 off-the-shelf SimpleCompiler instance for now. Finally, in the body of the
191 constructor, we call the DynamicLibrary::LoadLibraryPermanently method with a
192 nullptr argument. Normally the LoadLibraryPermanently method is called with the
193 path of a dynamic library to load, but when passed a null pointer it will 'load'
194 the host process itself, making its exported symbols available for execution.
196 .. code-block:: c++
198   ModuleHandle addModule(std::unique_ptr<Module> M) {
199     // Build our symbol resolver:
200     // Lambda 1: Look back into the JIT itself to find symbols that are part of
201     //           the same "logical dylib".
202     // Lambda 2: Search for external symbols in the host process.
203     auto Resolver = createLambdaResolver(
204         [&](const std::string &Name) {
205           if (auto Sym = CompileLayer.findSymbol(Name, false))
206             return Sym;
207           return JITSymbol(nullptr);
208         },
209         [](const std::string &Name) {
210           if (auto SymAddr =
211                 RTDyldMemoryManager::getSymbolAddressInProcess(Name))
212             return JITSymbol(SymAddr, JITSymbolFlags::Exported);
213           return JITSymbol(nullptr);
214         });
216     // Add the set to the JIT with the resolver we created above and a newly
217     // created SectionMemoryManager.
218     return cantFail(CompileLayer.addModule(std::move(M),
219                                            std::move(Resolver)));
220   }
222 Now we come to the first of our JIT API methods: addModule. This method is
223 responsible for adding IR to the JIT and making it available for execution. In
224 this initial implementation of our JIT we will make our modules "available for
225 execution" by adding them straight to the CompileLayer, which will immediately
226 compile them. In later chapters we will teach our JIT to defer compilation
227 of individual functions until they're actually called.
229 To add our module to the CompileLayer we need to supply both the module and a
230 symbol resolver. The symbol resolver is responsible for supplying the JIT with
231 an address for each *external symbol* in the module we are adding. External
232 symbols are any symbol not defined within the module itself, including calls to
233 functions outside the JIT and calls to functions defined in other modules that
234 have already been added to the JIT. (It may seem as though modules added to the
235 JIT should know about one another by default, but since we would still have to
236 supply a symbol resolver for references to code outside the JIT it turns out to
237 be easier to re-use this one mechanism for all symbol resolution.) This has the
238 added benefit that the user has full control over the symbol resolution
239 process. Should we search for definitions within the JIT first, then fall back
240 on external definitions? Or should we prefer external definitions where
241 available and only JIT code if we don't already have an available
242 implementation? By using a single symbol resolution scheme we are free to choose
243 whatever makes the most sense for any given use case.
245 Building a symbol resolver is made especially easy by the *createLambdaResolver*
246 function. This function takes two lambdas [3]_ and returns a JITSymbolResolver
247 instance. The first lambda is used as the implementation of the resolver's
248 findSymbolInLogicalDylib method, which searches for symbol definitions that
249 should be thought of as being part of the same "logical" dynamic library as this
250 Module. If you are familiar with static linking: this means that
251 findSymbolInLogicalDylib should expose symbols with common linkage and hidden
252 visibility. If all this sounds foreign you can ignore the details and just
253 remember that this is the first method that the linker will use to try to find a
254 symbol definition. If the findSymbolInLogicalDylib method returns a null result
255 then the linker will call the second symbol resolver method, called findSymbol,
256 which searches for symbols that should be thought of as external to (but
257 visibile from) the module and its logical dylib. In this tutorial we will adopt
258 the following simple scheme: All modules added to the JIT will behave as if they
259 were linked into a single, ever-growing logical dylib. To implement this our
260 first lambda (the one defining findSymbolInLogicalDylib) will just search for
261 JIT'd code by calling the CompileLayer's findSymbol method. If we don't find a
262 symbol in the JIT itself we'll fall back to our second lambda, which implements
263 findSymbol. This will use the RTDyldMemoryManager::getSymbolAddressInProcess
264 method to search for the symbol within the program itself. If we can't find a
265 symbol definition via either of these paths, the JIT will refuse to accept our
266 module, returning a "symbol not found" error.
268 Now that we've built our symbol resolver, we're ready to add our module to the
269 JIT. We do this by calling the CompileLayer's addModule method. The addModule
270 method returns an ``Expected<CompileLayer::ModuleHandle>``, since in more
271 advanced JIT configurations it could fail. In our basic configuration we know
272 that it will always succeed so we use the cantFail utility to assert that no
273 error occurred, and extract the handle value. Since we have already typedef'd
274 our ModuleHandle type to be the same as the CompileLayer's handle type, we can
275 return the unwrapped handle directly.
277 .. code-block:: c++
279   JITSymbol findSymbol(const std::string Name) {
280     std::string MangledName;
281     raw_string_ostream MangledNameStream(MangledName);
282     Mangler::getNameWithPrefix(MangledNameStream, Name, DL);
283     return CompileLayer.findSymbol(MangledNameStream.str(), true);
284   }
286   JITTargetAddress getSymbolAddress(const std::string Name) {
287     return cantFail(findSymbol(Name).getAddress());
288   }
290   void removeModule(ModuleHandle H) {
291     cantFail(CompileLayer.removeModule(H));
292   }
294 Now that we can add code to our JIT, we need a way to find the symbols we've
295 added to it. To do that we call the findSymbol method on our CompileLayer, but
296 with a twist: We have to *mangle* the name of the symbol we're searching for
297 first. The ORC JIT components use mangled symbols internally the same way a
298 static compiler and linker would, rather than using plain IR symbol names. This
299 allows JIT'd code to interoperate easily with precompiled code in the
300 application or shared libraries. The kind of mangling will depend on the
301 DataLayout, which in turn depends on the target platform. To allow us to remain
302 portable and search based on the un-mangled name, we just re-produce this
303 mangling ourselves.
305 Next we have a convenience function, getSymbolAddress, which returns the address
306 of a given symbol. Like CompileLayer's addModule function, JITSymbol's getAddress
307 function is allowed to fail [4]_, however we know that it will not in our simple
308 example, so we wrap it in a call to cantFail.
310 We now come to the last method in our JIT API: removeModule. This method is
311 responsible for destructing the MemoryManager and SymbolResolver that were
312 added with a given module, freeing any resources they were using in the
313 process. In our Kaleidoscope demo we rely on this method to remove the module
314 representing the most recent top-level expression, preventing it from being
315 treated as a duplicate definition when the next top-level expression is
316 entered. It is generally good to free any module that you know you won't need
317 to call further, just to free up the resources dedicated to it. However, you
318 don't strictly need to do this: All resources will be cleaned up when your
319 JIT class is destructed, if they haven't been freed before then. Like
320 ``CompileLayer::addModule`` and ``JITSymbol::getAddress``, removeModule may
321 fail in general but will never fail in our example, so we wrap it in a call to
322 cantFail.
324 This brings us to the end of Chapter 1 of Building a JIT. You now have a basic
325 but fully functioning JIT stack that you can use to take LLVM IR and make it
326 executable within the context of your JIT process. In the next chapter we'll
327 look at how to extend this JIT to produce better quality code, and in the
328 process take a deeper look at the ORC layer concept.
330 `Next: Extending the KaleidoscopeJIT <BuildingAJIT2.html>`_
332 Full Code Listing
333 =================
335 Here is the complete code listing for our running example. To build this
336 example, use:
338 .. code-block:: bash
340     # Compile
341     clang++ -g toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core orcjit native` -O3 -o toy
342     # Run
343     ./toy
345 Here is the code:
347 .. literalinclude:: ../../examples/Kaleidoscope/BuildingAJIT/Chapter1/KaleidoscopeJIT.h
348    :language: c++
350 .. [1] Actually we use a cut-down version of KaleidoscopeJIT that makes a
351        simplifying assumption: symbols cannot be re-defined. This will make it
352        impossible to re-define symbols in the REPL, but will make our symbol
353        lookup logic simpler. Re-introducing support for symbol redefinition is
354        left as an exercise for the reader. (The KaleidoscopeJIT.h used in the
355        original tutorials will be a helpful reference).
357 .. [2] +-----------------------------+-----------------------------------------------+
358        |         File                |               Reason for inclusion            |
359        +=============================+===============================================+
360        |      STLExtras.h            | LLVM utilities that are useful when working   |
361        |                             | with the STL.                                 |
362        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
363        |   ExecutionEngine.h         | Access to the EngineBuilder::selectTarget     |
364        |                             | method.                                       |
365        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
366        |                             | Access to the                                 |
367        | RTDyldMemoryManager.h       | RTDyldMemoryManager::getSymbolAddressInProcess|
368        |                             | method.                                       |
369        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
370        |    CompileUtils.h           | Provides the SimpleCompiler class.            |
371        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
372        |   IRCompileLayer.h          | Provides the IRCompileLayer class.            |
373        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
374        |                             | Access the createLambdaResolver function,     |
375        |   LambdaResolver.h          | which provides easy construction of symbol    |
376        |                             | resolvers.                                    |
377        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
378        |  RTDyldObjectLinkingLayer.h | Provides the RTDyldObjectLinkingLayer class.  |
379        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
380        |       Mangler.h             | Provides the Mangler class for platform       |
381        |                             | specific name-mangling.                       |
382        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
383        |   DynamicLibrary.h          | Provides the DynamicLibrary class, which      |
384        |                             | makes symbols in the host process searchable. |
385        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
386        |                             | A fast output stream class. We use the        |
387        |     raw_ostream.h           | raw_string_ostream subclass for symbol        |
388        |                             | mangling                                      |
389        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
390        |   TargetMachine.h           | LLVM target machine description class.        |
391        +-----------------------------+-----------------------------------------------+
393 .. [3] Actually they don't have to be lambdas, any object with a call operator
394        will do, including plain old functions or std::functions.
396 .. [4] ``JITSymbol::getAddress`` will force the JIT to compile the definition of
397        the symbol if it hasn't already been compiled, and since the compilation
398        process could fail getAddress must be able to return this failure.