[ArgPromotion] Add a testcase for PR32917
[llvm-complete.git] / docs / tutorial / LangImpl07.rst
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1 =======================================================
2 Kaleidoscope: Extending the Language: Mutable Variables
3 =======================================================
5 .. contents::
6    :local:
8 Chapter 7 Introduction
9 ======================
11 Welcome to Chapter 7 of the "`Implementing a language with
12 LLVM <index.html>`_" tutorial. In chapters 1 through 6, we've built a
13 very respectable, albeit simple, `functional programming
14 language <http://en.wikipedia.org/wiki/Functional_programming>`_. In our
15 journey, we learned some parsing techniques, how to build and represent
16 an AST, how to build LLVM IR, and how to optimize the resultant code as
17 well as JIT compile it.
19 While Kaleidoscope is interesting as a functional language, the fact
20 that it is functional makes it "too easy" to generate LLVM IR for it. In
21 particular, a functional language makes it very easy to build LLVM IR
22 directly in `SSA
23 form <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_.
24 Since LLVM requires that the input code be in SSA form, this is a very
25 nice property and it is often unclear to newcomers how to generate code
26 for an imperative language with mutable variables.
28 The short (and happy) summary of this chapter is that there is no need
29 for your front-end to build SSA form: LLVM provides highly tuned and
30 well tested support for this, though the way it works is a bit
31 unexpected for some.
33 Why is this a hard problem?
34 ===========================
36 To understand why mutable variables cause complexities in SSA
37 construction, consider this extremely simple C example:
39 .. code-block:: c
41     int G, H;
42     int test(_Bool Condition) {
43       int X;
44       if (Condition)
45         X = G;
46       else
47         X = H;
48       return X;
49     }
51 In this case, we have the variable "X", whose value depends on the path
52 executed in the program. Because there are two different possible values
53 for X before the return instruction, a PHI node is inserted to merge the
54 two values. The LLVM IR that we want for this example looks like this:
56 .. code-block:: llvm
58     @G = weak global i32 0   ; type of @G is i32*
59     @H = weak global i32 0   ; type of @H is i32*
61     define i32 @test(i1 %Condition) {
62     entry:
63       br i1 %Condition, label %cond_true, label %cond_false
65     cond_true:
66       %X.0 = load i32* @G
67       br label %cond_next
69     cond_false:
70       %X.1 = load i32* @H
71       br label %cond_next
73     cond_next:
74       %X.2 = phi i32 [ %X.1, %cond_false ], [ %X.0, %cond_true ]
75       ret i32 %X.2
76     }
78 In this example, the loads from the G and H global variables are
79 explicit in the LLVM IR, and they live in the then/else branches of the
80 if statement (cond\_true/cond\_false). In order to merge the incoming
81 values, the X.2 phi node in the cond\_next block selects the right value
82 to use based on where control flow is coming from: if control flow comes
83 from the cond\_false block, X.2 gets the value of X.1. Alternatively, if
84 control flow comes from cond\_true, it gets the value of X.0. The intent
85 of this chapter is not to explain the details of SSA form. For more
86 information, see one of the many `online
87 references <http://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form>`_.
89 The question for this article is "who places the phi nodes when lowering
90 assignments to mutable variables?". The issue here is that LLVM
91 *requires* that its IR be in SSA form: there is no "non-ssa" mode for
92 it. However, SSA construction requires non-trivial algorithms and data
93 structures, so it is inconvenient and wasteful for every front-end to
94 have to reproduce this logic.
96 Memory in LLVM
97 ==============
99 The 'trick' here is that while LLVM does require all register values to
100 be in SSA form, it does not require (or permit) memory objects to be in
101 SSA form. In the example above, note that the loads from G and H are
102 direct accesses to G and H: they are not renamed or versioned. This
103 differs from some other compiler systems, which do try to version memory
104 objects. In LLVM, instead of encoding dataflow analysis of memory into
105 the LLVM IR, it is handled with `Analysis
106 Passes <../WritingAnLLVMPass.html>`_ which are computed on demand.
108 With this in mind, the high-level idea is that we want to make a stack
109 variable (which lives in memory, because it is on the stack) for each
110 mutable object in a function. To take advantage of this trick, we need
111 to talk about how LLVM represents stack variables.
113 In LLVM, all memory accesses are explicit with load/store instructions,
114 and it is carefully designed not to have (or need) an "address-of"
115 operator. Notice how the type of the @G/@H global variables is actually
116 "i32\*" even though the variable is defined as "i32". What this means is
117 that @G defines *space* for an i32 in the global data area, but its
118 *name* actually refers to the address for that space. Stack variables
119 work the same way, except that instead of being declared with global
120 variable definitions, they are declared with the `LLVM alloca
121 instruction <../LangRef.html#alloca-instruction>`_:
123 .. code-block:: llvm
125     define i32 @example() {
126     entry:
127       %X = alloca i32           ; type of %X is i32*.
128       ...
129       %tmp = load i32* %X       ; load the stack value %X from the stack.
130       %tmp2 = add i32 %tmp, 1   ; increment it
131       store i32 %tmp2, i32* %X  ; store it back
132       ...
134 This code shows an example of how you can declare and manipulate a stack
135 variable in the LLVM IR. Stack memory allocated with the alloca
136 instruction is fully general: you can pass the address of the stack slot
137 to functions, you can store it in other variables, etc. In our example
138 above, we could rewrite the example to use the alloca technique to avoid
139 using a PHI node:
141 .. code-block:: llvm
143     @G = weak global i32 0   ; type of @G is i32*
144     @H = weak global i32 0   ; type of @H is i32*
146     define i32 @test(i1 %Condition) {
147     entry:
148       %X = alloca i32           ; type of %X is i32*.
149       br i1 %Condition, label %cond_true, label %cond_false
151     cond_true:
152       %X.0 = load i32* @G
153       store i32 %X.0, i32* %X   ; Update X
154       br label %cond_next
156     cond_false:
157       %X.1 = load i32* @H
158       store i32 %X.1, i32* %X   ; Update X
159       br label %cond_next
161     cond_next:
162       %X.2 = load i32* %X       ; Read X
163       ret i32 %X.2
164     }
166 With this, we have discovered a way to handle arbitrary mutable
167 variables without the need to create Phi nodes at all:
169 #. Each mutable variable becomes a stack allocation.
170 #. Each read of the variable becomes a load from the stack.
171 #. Each update of the variable becomes a store to the stack.
172 #. Taking the address of a variable just uses the stack address
173    directly.
175 While this solution has solved our immediate problem, it introduced
176 another one: we have now apparently introduced a lot of stack traffic
177 for very simple and common operations, a major performance problem.
178 Fortunately for us, the LLVM optimizer has a highly-tuned optimization
179 pass named "mem2reg" that handles this case, promoting allocas like this
180 into SSA registers, inserting Phi nodes as appropriate. If you run this
181 example through the pass, for example, you'll get:
183 .. code-block:: bash
185     $ llvm-as < example.ll | opt -mem2reg | llvm-dis
186     @G = weak global i32 0
187     @H = weak global i32 0
189     define i32 @test(i1 %Condition) {
190     entry:
191       br i1 %Condition, label %cond_true, label %cond_false
193     cond_true:
194       %X.0 = load i32* @G
195       br label %cond_next
197     cond_false:
198       %X.1 = load i32* @H
199       br label %cond_next
201     cond_next:
202       %X.01 = phi i32 [ %X.1, %cond_false ], [ %X.0, %cond_true ]
203       ret i32 %X.01
204     }
206 The mem2reg pass implements the standard "iterated dominance frontier"
207 algorithm for constructing SSA form and has a number of optimizations
208 that speed up (very common) degenerate cases. The mem2reg optimization
209 pass is the answer to dealing with mutable variables, and we highly
210 recommend that you depend on it. Note that mem2reg only works on
211 variables in certain circumstances:
213 #. mem2reg is alloca-driven: it looks for allocas and if it can handle
214    them, it promotes them. It does not apply to global variables or heap
215    allocations.
216 #. mem2reg only looks for alloca instructions in the entry block of the
217    function. Being in the entry block guarantees that the alloca is only
218    executed once, which makes analysis simpler.
219 #. mem2reg only promotes allocas whose uses are direct loads and stores.
220    If the address of the stack object is passed to a function, or if any
221    funny pointer arithmetic is involved, the alloca will not be
222    promoted.
223 #. mem2reg only works on allocas of `first
224    class <../LangRef.html#first-class-types>`_ values (such as pointers,
225    scalars and vectors), and only if the array size of the allocation is
226    1 (or missing in the .ll file). mem2reg is not capable of promoting
227    structs or arrays to registers. Note that the "sroa" pass is
228    more powerful and can promote structs, "unions", and arrays in many
229    cases.
231 All of these properties are easy to satisfy for most imperative
232 languages, and we'll illustrate it below with Kaleidoscope. The final
233 question you may be asking is: should I bother with this nonsense for my
234 front-end? Wouldn't it be better if I just did SSA construction
235 directly, avoiding use of the mem2reg optimization pass? In short, we
236 strongly recommend that you use this technique for building SSA form,
237 unless there is an extremely good reason not to. Using this technique
240 -  Proven and well tested: clang uses this technique
241    for local mutable variables. As such, the most common clients of LLVM
242    are using this to handle a bulk of their variables. You can be sure
243    that bugs are found fast and fixed early.
244 -  Extremely Fast: mem2reg has a number of special cases that make it
245    fast in common cases as well as fully general. For example, it has
246    fast-paths for variables that are only used in a single block,
247    variables that only have one assignment point, good heuristics to
248    avoid insertion of unneeded phi nodes, etc.
249 -  Needed for debug info generation: `Debug information in
250    LLVM <../SourceLevelDebugging.html>`_ relies on having the address of
251    the variable exposed so that debug info can be attached to it. This
252    technique dovetails very naturally with this style of debug info.
254 If nothing else, this makes it much easier to get your front-end up and
255 running, and is very simple to implement. Let's extend Kaleidoscope with
256 mutable variables now!
258 Mutable Variables in Kaleidoscope
259 =================================
261 Now that we know the sort of problem we want to tackle, let's see what
262 this looks like in the context of our little Kaleidoscope language.
263 We're going to add two features:
265 #. The ability to mutate variables with the '=' operator.
266 #. The ability to define new variables.
268 While the first item is really what this is about, we only have
269 variables for incoming arguments as well as for induction variables, and
270 redefining those only goes so far :). Also, the ability to define new
271 variables is a useful thing regardless of whether you will be mutating
272 them. Here's a motivating example that shows how we could use these:
276     # Define ':' for sequencing: as a low-precedence operator that ignores operands
277     # and just returns the RHS.
278     def binary : 1 (x y) y;
280     # Recursive fib, we could do this before.
281     def fib(x)
282       if (x < 3) then
283         1
284       else
285         fib(x-1)+fib(x-2);
287     # Iterative fib.
288     def fibi(x)
289       var a = 1, b = 1, c in
290       (for i = 3, i < x in
291          c = a + b :
292          a = b :
293          b = c) :
294       b;
296     # Call it.
297     fibi(10);
299 In order to mutate variables, we have to change our existing variables
300 to use the "alloca trick". Once we have that, we'll add our new
301 operator, then extend Kaleidoscope to support new variable definitions.
303 Adjusting Existing Variables for Mutation
304 =========================================
306 The symbol table in Kaleidoscope is managed at code generation time by
307 the '``NamedValues``' map. This map currently keeps track of the LLVM
308 "Value\*" that holds the double value for the named variable. In order
309 to support mutation, we need to change this slightly, so that
310 ``NamedValues`` holds the *memory location* of the variable in question.
311 Note that this change is a refactoring: it changes the structure of the
312 code, but does not (by itself) change the behavior of the compiler. All
313 of these changes are isolated in the Kaleidoscope code generator.
315 At this point in Kaleidoscope's development, it only supports variables
316 for two things: incoming arguments to functions and the induction
317 variable of 'for' loops. For consistency, we'll allow mutation of these
318 variables in addition to other user-defined variables. This means that
319 these will both need memory locations.
321 To start our transformation of Kaleidoscope, we'll change the
322 NamedValues map so that it maps to AllocaInst\* instead of Value\*. Once
323 we do this, the C++ compiler will tell us what parts of the code we need
324 to update:
326 .. code-block:: c++
328     static std::map<std::string, AllocaInst*> NamedValues;
330 Also, since we will need to create these allocas, we'll use a helper
331 function that ensures that the allocas are created in the entry block of
332 the function:
334 .. code-block:: c++
336     /// CreateEntryBlockAlloca - Create an alloca instruction in the entry block of
337     /// the function.  This is used for mutable variables etc.
338     static AllocaInst *CreateEntryBlockAlloca(Function *TheFunction,
339                                               const std::string &VarName) {
340       IRBuilder<> TmpB(&TheFunction->getEntryBlock(),
341                      TheFunction->getEntryBlock().begin());
342       return TmpB.CreateAlloca(Type::getDoubleTy(TheContext), 0,
343                                VarName.c_str());
344     }
346 This funny looking code creates an IRBuilder object that is pointing at
347 the first instruction (.begin()) of the entry block. It then creates an
348 alloca with the expected name and returns it. Because all values in
349 Kaleidoscope are doubles, there is no need to pass in a type to use.
351 With this in place, the first functionality change we want to make belongs to
352 variable references. In our new scheme, variables live on the stack, so
353 code generating a reference to them actually needs to produce a load
354 from the stack slot:
356 .. code-block:: c++
358     Value *VariableExprAST::codegen() {
359       // Look this variable up in the function.
360       Value *V = NamedValues[Name];
361       if (!V)
362         return LogErrorV("Unknown variable name");
364       // Load the value.
365       return Builder.CreateLoad(V, Name.c_str());
366     }
368 As you can see, this is pretty straightforward. Now we need to update
369 the things that define the variables to set up the alloca. We'll start
370 with ``ForExprAST::codegen()`` (see the `full code listing <#id1>`_ for
371 the unabridged code):
373 .. code-block:: c++
375       Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
377       // Create an alloca for the variable in the entry block.
378       AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
380       // Emit the start code first, without 'variable' in scope.
381       Value *StartVal = Start->codegen();
382       if (!StartVal)
383         return nullptr;
385       // Store the value into the alloca.
386       Builder.CreateStore(StartVal, Alloca);
387       ...
389       // Compute the end condition.
390       Value *EndCond = End->codegen();
391       if (!EndCond)
392         return nullptr;
394       // Reload, increment, and restore the alloca.  This handles the case where
395       // the body of the loop mutates the variable.
396       Value *CurVar = Builder.CreateLoad(Alloca);
397       Value *NextVar = Builder.CreateFAdd(CurVar, StepVal, "nextvar");
398       Builder.CreateStore(NextVar, Alloca);
399       ...
401 This code is virtually identical to the code `before we allowed mutable
402 variables <LangImpl5.html#code-generation-for-the-for-loop>`_. The big difference is that we
403 no longer have to construct a PHI node, and we use load/store to access
404 the variable as needed.
406 To support mutable argument variables, we need to also make allocas for
407 them. The code for this is also pretty simple:
409 .. code-block:: c++
411     Function *FunctionAST::codegen() {
412       ...
413       Builder.SetInsertPoint(BB);
415       // Record the function arguments in the NamedValues map.
416       NamedValues.clear();
417       for (auto &Arg : TheFunction->args()) {
418         // Create an alloca for this variable.
419         AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, Arg.getName());
421         // Store the initial value into the alloca.
422         Builder.CreateStore(&Arg, Alloca);
424         // Add arguments to variable symbol table.
425         NamedValues[Arg.getName()] = Alloca;
426       }
428       if (Value *RetVal = Body->codegen()) {
429         ...
431 For each argument, we make an alloca, store the input value to the
432 function into the alloca, and register the alloca as the memory location
433 for the argument. This method gets invoked by ``FunctionAST::codegen()``
434 right after it sets up the entry block for the function.
436 The final missing piece is adding the mem2reg pass, which allows us to
437 get good codegen once again:
439 .. code-block:: c++
441         // Promote allocas to registers.
442         TheFPM->add(createPromoteMemoryToRegisterPass());
443         // Do simple "peephole" optimizations and bit-twiddling optzns.
444         TheFPM->add(createInstructionCombiningPass());
445         // Reassociate expressions.
446         TheFPM->add(createReassociatePass());
447         ...
449 It is interesting to see what the code looks like before and after the
450 mem2reg optimization runs. For example, this is the before/after code
451 for our recursive fib function. Before the optimization:
453 .. code-block:: llvm
455     define double @fib(double %x) {
456     entry:
457       %x1 = alloca double
458       store double %x, double* %x1
459       %x2 = load double, double* %x1
460       %cmptmp = fcmp ult double %x2, 3.000000e+00
461       %booltmp = uitofp i1 %cmptmp to double
462       %ifcond = fcmp one double %booltmp, 0.000000e+00
463       br i1 %ifcond, label %then, label %else
465     then:       ; preds = %entry
466       br label %ifcont
468     else:       ; preds = %entry
469       %x3 = load double, double* %x1
470       %subtmp = fsub double %x3, 1.000000e+00
471       %calltmp = call double @fib(double %subtmp)
472       %x4 = load double, double* %x1
473       %subtmp5 = fsub double %x4, 2.000000e+00
474       %calltmp6 = call double @fib(double %subtmp5)
475       %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp6
476       br label %ifcont
478     ifcont:     ; preds = %else, %then
479       %iftmp = phi double [ 1.000000e+00, %then ], [ %addtmp, %else ]
480       ret double %iftmp
481     }
483 Here there is only one variable (x, the input argument) but you can
484 still see the extremely simple-minded code generation strategy we are
485 using. In the entry block, an alloca is created, and the initial input
486 value is stored into it. Each reference to the variable does a reload
487 from the stack. Also, note that we didn't modify the if/then/else
488 expression, so it still inserts a PHI node. While we could make an
489 alloca for it, it is actually easier to create a PHI node for it, so we
490 still just make the PHI.
492 Here is the code after the mem2reg pass runs:
494 .. code-block:: llvm
496     define double @fib(double %x) {
497     entry:
498       %cmptmp = fcmp ult double %x, 3.000000e+00
499       %booltmp = uitofp i1 %cmptmp to double
500       %ifcond = fcmp one double %booltmp, 0.000000e+00
501       br i1 %ifcond, label %then, label %else
503     then:
504       br label %ifcont
506     else:
507       %subtmp = fsub double %x, 1.000000e+00
508       %calltmp = call double @fib(double %subtmp)
509       %subtmp5 = fsub double %x, 2.000000e+00
510       %calltmp6 = call double @fib(double %subtmp5)
511       %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp6
512       br label %ifcont
514     ifcont:     ; preds = %else, %then
515       %iftmp = phi double [ 1.000000e+00, %then ], [ %addtmp, %else ]
516       ret double %iftmp
517     }
519 This is a trivial case for mem2reg, since there are no redefinitions of
520 the variable. The point of showing this is to calm your tension about
521 inserting such blatent inefficiencies :).
523 After the rest of the optimizers run, we get:
525 .. code-block:: llvm
527     define double @fib(double %x) {
528     entry:
529       %cmptmp = fcmp ult double %x, 3.000000e+00
530       %booltmp = uitofp i1 %cmptmp to double
531       %ifcond = fcmp ueq double %booltmp, 0.000000e+00
532       br i1 %ifcond, label %else, label %ifcont
534     else:
535       %subtmp = fsub double %x, 1.000000e+00
536       %calltmp = call double @fib(double %subtmp)
537       %subtmp5 = fsub double %x, 2.000000e+00
538       %calltmp6 = call double @fib(double %subtmp5)
539       %addtmp = fadd double %calltmp, %calltmp6
540       ret double %addtmp
542     ifcont:
543       ret double 1.000000e+00
544     }
546 Here we see that the simplifycfg pass decided to clone the return
547 instruction into the end of the 'else' block. This allowed it to
548 eliminate some branches and the PHI node.
550 Now that all symbol table references are updated to use stack variables,
551 we'll add the assignment operator.
553 New Assignment Operator
554 =======================
556 With our current framework, adding a new assignment operator is really
557 simple. We will parse it just like any other binary operator, but handle
558 it internally (instead of allowing the user to define it). The first
559 step is to set a precedence:
561 .. code-block:: c++
563      int main() {
564        // Install standard binary operators.
565        // 1 is lowest precedence.
566        BinopPrecedence['='] = 2;
567        BinopPrecedence['<'] = 10;
568        BinopPrecedence['+'] = 20;
569        BinopPrecedence['-'] = 20;
571 Now that the parser knows the precedence of the binary operator, it
572 takes care of all the parsing and AST generation. We just need to
573 implement codegen for the assignment operator. This looks like:
575 .. code-block:: c++
577     Value *BinaryExprAST::codegen() {
578       // Special case '=' because we don't want to emit the LHS as an expression.
579       if (Op == '=') {
580         // Assignment requires the LHS to be an identifier.
581         VariableExprAST *LHSE = dynamic_cast<VariableExprAST*>(LHS.get());
582         if (!LHSE)
583           return LogErrorV("destination of '=' must be a variable");
585 Unlike the rest of the binary operators, our assignment operator doesn't
586 follow the "emit LHS, emit RHS, do computation" model. As such, it is
587 handled as a special case before the other binary operators are handled.
588 The other strange thing is that it requires the LHS to be a variable. It
589 is invalid to have "(x+1) = expr" - only things like "x = expr" are
590 allowed.
592 .. code-block:: c++
594         // Codegen the RHS.
595         Value *Val = RHS->codegen();
596         if (!Val)
597           return nullptr;
599         // Look up the name.
600         Value *Variable = NamedValues[LHSE->getName()];
601         if (!Variable)
602           return LogErrorV("Unknown variable name");
604         Builder.CreateStore(Val, Variable);
605         return Val;
606       }
607       ...
609 Once we have the variable, codegen'ing the assignment is
610 straightforward: we emit the RHS of the assignment, create a store, and
611 return the computed value. Returning a value allows for chained
612 assignments like "X = (Y = Z)".
614 Now that we have an assignment operator, we can mutate loop variables
615 and arguments. For example, we can now run code like this:
619     # Function to print a double.
620     extern printd(x);
622     # Define ':' for sequencing: as a low-precedence operator that ignores operands
623     # and just returns the RHS.
624     def binary : 1 (x y) y;
626     def test(x)
627       printd(x) :
628       x = 4 :
629       printd(x);
631     test(123);
633 When run, this example prints "123" and then "4", showing that we did
634 actually mutate the value! Okay, we have now officially implemented our
635 goal: getting this to work requires SSA construction in the general
636 case. However, to be really useful, we want the ability to define our
637 own local variables, let's add this next!
639 User-defined Local Variables
640 ============================
642 Adding var/in is just like any other extension we made to
643 Kaleidoscope: we extend the lexer, the parser, the AST and the code
644 generator. The first step for adding our new 'var/in' construct is to
645 extend the lexer. As before, this is pretty trivial, the code looks like
646 this:
648 .. code-block:: c++
650     enum Token {
651       ...
652       // var definition
653       tok_var = -13
654     ...
655     }
656     ...
657     static int gettok() {
658     ...
659         if (IdentifierStr == "in")
660           return tok_in;
661         if (IdentifierStr == "binary")
662           return tok_binary;
663         if (IdentifierStr == "unary")
664           return tok_unary;
665         if (IdentifierStr == "var")
666           return tok_var;
667         return tok_identifier;
668     ...
670 The next step is to define the AST node that we will construct. For
671 var/in, it looks like this:
673 .. code-block:: c++
675     /// VarExprAST - Expression class for var/in
676     class VarExprAST : public ExprAST {
677       std::vector<std::pair<std::string, std::unique_ptr<ExprAST>>> VarNames;
678       std::unique_ptr<ExprAST> Body;
680     public:
681       VarExprAST(std::vector<std::pair<std::string, std::unique_ptr<ExprAST>>> VarNames,
682                  std::unique_ptr<ExprAST> Body)
683         : VarNames(std::move(VarNames)), Body(std::move(Body)) {}
685       Value *codegen() override;
686     };
688 var/in allows a list of names to be defined all at once, and each name
689 can optionally have an initializer value. As such, we capture this
690 information in the VarNames vector. Also, var/in has a body, this body
691 is allowed to access the variables defined by the var/in.
693 With this in place, we can define the parser pieces. The first thing we
694 do is add it as a primary expression:
696 .. code-block:: c++
698     /// primary
699     ///   ::= identifierexpr
700     ///   ::= numberexpr
701     ///   ::= parenexpr
702     ///   ::= ifexpr
703     ///   ::= forexpr
704     ///   ::= varexpr
705     static std::unique_ptr<ExprAST> ParsePrimary() {
706       switch (CurTok) {
707       default:
708         return LogError("unknown token when expecting an expression");
709       case tok_identifier:
710         return ParseIdentifierExpr();
711       case tok_number:
712         return ParseNumberExpr();
713       case '(':
714         return ParseParenExpr();
715       case tok_if:
716         return ParseIfExpr();
717       case tok_for:
718         return ParseForExpr();
719       case tok_var:
720         return ParseVarExpr();
721       }
722     }
724 Next we define ParseVarExpr:
726 .. code-block:: c++
728     /// varexpr ::= 'var' identifier ('=' expression)?
729     //                    (',' identifier ('=' expression)?)* 'in' expression
730     static std::unique_ptr<ExprAST> ParseVarExpr() {
731       getNextToken();  // eat the var.
733       std::vector<std::pair<std::string, std::unique_ptr<ExprAST>>> VarNames;
735       // At least one variable name is required.
736       if (CurTok != tok_identifier)
737         return LogError("expected identifier after var");
739 The first part of this code parses the list of identifier/expr pairs
740 into the local ``VarNames`` vector.
742 .. code-block:: c++
744       while (1) {
745         std::string Name = IdentifierStr;
746         getNextToken();  // eat identifier.
748         // Read the optional initializer.
749         std::unique_ptr<ExprAST> Init;
750         if (CurTok == '=') {
751           getNextToken(); // eat the '='.
753           Init = ParseExpression();
754           if (!Init) return nullptr;
755         }
757         VarNames.push_back(std::make_pair(Name, std::move(Init)));
759         // End of var list, exit loop.
760         if (CurTok != ',') break;
761         getNextToken(); // eat the ','.
763         if (CurTok != tok_identifier)
764           return LogError("expected identifier list after var");
765       }
767 Once all the variables are parsed, we then parse the body and create the
768 AST node:
770 .. code-block:: c++
772       // At this point, we have to have 'in'.
773       if (CurTok != tok_in)
774         return LogError("expected 'in' keyword after 'var'");
775       getNextToken();  // eat 'in'.
777       auto Body = ParseExpression();
778       if (!Body)
779         return nullptr;
781       return llvm::make_unique<VarExprAST>(std::move(VarNames),
782                                            std::move(Body));
783     }
785 Now that we can parse and represent the code, we need to support
786 emission of LLVM IR for it. This code starts out with:
788 .. code-block:: c++
790     Value *VarExprAST::codegen() {
791       std::vector<AllocaInst *> OldBindings;
793       Function *TheFunction = Builder.GetInsertBlock()->getParent();
795       // Register all variables and emit their initializer.
796       for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i) {
797         const std::string &VarName = VarNames[i].first;
798         ExprAST *Init = VarNames[i].second.get();
800 Basically it loops over all the variables, installing them one at a
801 time. For each variable we put into the symbol table, we remember the
802 previous value that we replace in OldBindings.
804 .. code-block:: c++
806         // Emit the initializer before adding the variable to scope, this prevents
807         // the initializer from referencing the variable itself, and permits stuff
808         // like this:
809         //  var a = 1 in
810         //    var a = a in ...   # refers to outer 'a'.
811         Value *InitVal;
812         if (Init) {
813           InitVal = Init->codegen();
814           if (!InitVal)
815             return nullptr;
816         } else { // If not specified, use 0.0.
817           InitVal = ConstantFP::get(TheContext, APFloat(0.0));
818         }
820         AllocaInst *Alloca = CreateEntryBlockAlloca(TheFunction, VarName);
821         Builder.CreateStore(InitVal, Alloca);
823         // Remember the old variable binding so that we can restore the binding when
824         // we unrecurse.
825         OldBindings.push_back(NamedValues[VarName]);
827         // Remember this binding.
828         NamedValues[VarName] = Alloca;
829       }
831 There are more comments here than code. The basic idea is that we emit
832 the initializer, create the alloca, then update the symbol table to
833 point to it. Once all the variables are installed in the symbol table,
834 we evaluate the body of the var/in expression:
836 .. code-block:: c++
838       // Codegen the body, now that all vars are in scope.
839       Value *BodyVal = Body->codegen();
840       if (!BodyVal)
841         return nullptr;
843 Finally, before returning, we restore the previous variable bindings:
845 .. code-block:: c++
847       // Pop all our variables from scope.
848       for (unsigned i = 0, e = VarNames.size(); i != e; ++i)
849         NamedValues[VarNames[i].first] = OldBindings[i];
851       // Return the body computation.
852       return BodyVal;
853     }
855 The end result of all of this is that we get properly scoped variable
856 definitions, and we even (trivially) allow mutation of them :).
858 With this, we completed what we set out to do. Our nice iterative fib
859 example from the intro compiles and runs just fine. The mem2reg pass
860 optimizes all of our stack variables into SSA registers, inserting PHI
861 nodes where needed, and our front-end remains simple: no "iterated
862 dominance frontier" computation anywhere in sight.
864 Full Code Listing
865 =================
867 Here is the complete code listing for our running example, enhanced with
868 mutable variables and var/in support. To build this example, use:
870 .. code-block:: bash
872     # Compile
873     clang++ -g toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core mcjit native` -O3 -o toy
874     # Run
875     ./toy
877 Here is the code:
879 .. literalinclude:: ../../examples/Kaleidoscope/Chapter7/toy.cpp
880    :language: c++
882 `Next: Compiling to Object Code <LangImpl08.html>`_