Fix GCC build problem with 288f05f related to SmallVector. (#116958)
[llvm-project.git] / mlir / docs / LangRef.md
blob21cfdc78a6a430345573760002fce44bcdfb9d85
1 # MLIR Language Reference
3 MLIR (Multi-Level IR) is a compiler intermediate representation with
4 similarities to traditional three-address SSA representations (like
5 [LLVM IR](http://llvm.org/docs/LangRef.html) or
6 [SIL](https://github.com/apple/swift/blob/main/docs/SIL.rst)), but which
7 introduces notions from polyhedral loop optimization as first-class concepts.
8 This hybrid design is optimized to represent, analyze, and transform high level
9 dataflow graphs as well as target-specific code generated for high performance
10 data parallel systems. Beyond its representational capabilities, its single
11 continuous design provides a framework to lower from dataflow graphs to
12 high-performance target-specific code.
14 This document defines and describes the key concepts in MLIR, and is intended to
15 be a dry reference document - the
16 [rationale documentation](Rationale/Rationale.md),
17 [glossary](../getting_started/Glossary.md), and other content are hosted
18 elsewhere.
20 MLIR is designed to be used in three different forms: a human-readable textual
21 form suitable for debugging, an in-memory form suitable for programmatic
22 transformations and analysis, and a compact serialized form suitable for storage
23 and transport. The different forms all describe the same semantic content. This
24 document describes the human-readable textual form.
26 [TOC]
28 ## High-Level Structure
30 MLIR is fundamentally based on a graph-like data structure of nodes, called
31 *Operations*, and edges, called *Values*. Each Value is the result of exactly
32 one Operation or Block Argument, and has a *Value Type* defined by the
33 [type system](#type-system). [Operations](#operations) are contained in
34 [Blocks](#blocks) and Blocks are contained in [Regions](#regions). Operations
35 are also ordered within their containing block and Blocks are ordered in their
36 containing region, although this order may or may not be semantically meaningful
37 in a given [kind of region](Interfaces.md/#regionkindinterfaces)). Operations
38 may also contain regions, enabling hierarchical structures to be represented.
40 Operations can represent many different concepts, from higher-level concepts
41 like function definitions, function calls, buffer allocations, view or slices of
42 buffers, and process creation, to lower-level concepts like target-independent
43 arithmetic, target-specific instructions, configuration registers, and logic
44 gates. These different concepts are represented by different operations in MLIR
45 and the set of operations usable in MLIR can be arbitrarily extended.
47 MLIR also provides an extensible framework for transformations on operations,
48 using familiar concepts of compiler [Passes](Passes.md). Enabling an arbitrary
49 set of passes on an arbitrary set of operations results in a significant scaling
50 challenge, since each transformation must potentially take into account the
51 semantics of any operation. MLIR addresses this complexity by allowing operation
52 semantics to be described abstractly using [Traits](Traits) and
53 [Interfaces](Interfaces.md), enabling transformations to operate on operations
54 more generically. Traits often describe verification constraints on valid IR,
55 enabling complex invariants to be captured and checked. (see
56 [Op vs Operation](Tutorials/Toy/Ch-2.md/#op-vs-operation-using-mlir-operations))
58 One obvious application of MLIR is to represent an
59 [SSA-based](https://en.wikipedia.org/wiki/Static_single_assignment_form) IR,
60 like the LLVM core IR, with appropriate choice of operation types to define
61 Modules, Functions, Branches, Memory Allocation, and verification constraints to
62 ensure the SSA Dominance property. MLIR includes a collection of dialects which
63 defines just such structures. However, MLIR is intended to be general enough to
64 represent other compiler-like data structures, such as Abstract Syntax Trees in
65 a language frontend, generated instructions in a target-specific backend, or
66 circuits in a High-Level Synthesis tool.
68 Here's an example of an MLIR module:
70 ```mlir
71 // Compute A*B using an implementation of multiply kernel and print the
72 // result using a TensorFlow op. The dimensions of A and B are partially
73 // known. The shapes are assumed to match.
74 func.func @mul(%A: tensor<100x?xf32>, %B: tensor<?x50xf32>) -> (tensor<100x50xf32>) {
75   // Compute the inner dimension of %A using the dim operation.
76   %n = memref.dim %A, 1 : tensor<100x?xf32>
78   // Allocate addressable "buffers" and copy tensors %A and %B into them.
79   %A_m = memref.alloc(%n) : memref<100x?xf32>
80   bufferization.materialize_in_destination %A in writable %A_m
81       : (tensor<100x?xf32>, memref<100x?xf32>) -> ()
83   %B_m = memref.alloc(%n) : memref<?x50xf32>
84   bufferization.materialize_in_destination %B in writable %B_m
85       : (tensor<?x50xf32>, memref<?x50xf32>) -> ()
87   // Call function @multiply passing memrefs as arguments,
88   // and getting returned the result of the multiplication.
89   %C_m = call @multiply(%A_m, %B_m)
90           : (memref<100x?xf32>, memref<?x50xf32>) -> (memref<100x50xf32>)
92   memref.dealloc %A_m : memref<100x?xf32>
93   memref.dealloc %B_m : memref<?x50xf32>
95   // Load the buffer data into a higher level "tensor" value.
96   %C = memref.tensor_load %C_m : memref<100x50xf32>
97   memref.dealloc %C_m : memref<100x50xf32>
99   // Call TensorFlow built-in function to print the result tensor.
100   "tf.Print"(%C){message: "mul result"} : (tensor<100x50xf32>) -> (tensor<100x50xf32>)
102   return %C : tensor<100x50xf32>
105 // A function that multiplies two memrefs and returns the result.
106 func.func @multiply(%A: memref<100x?xf32>, %B: memref<?x50xf32>)
107           -> (memref<100x50xf32>)  {
108   // Compute the inner dimension of %A.
109   %n = memref.dim %A, 1 : memref<100x?xf32>
111   // Allocate memory for the multiplication result.
112   %C = memref.alloc() : memref<100x50xf32>
114   // Multiplication loop nest.
115   affine.for %i = 0 to 100 {
116      affine.for %j = 0 to 50 {
117         memref.store 0 to %C[%i, %j] : memref<100x50xf32>
118         affine.for %k = 0 to %n {
119            %a_v  = memref.load %A[%i, %k] : memref<100x?xf32>
120            %b_v  = memref.load %B[%k, %j] : memref<?x50xf32>
121            %prod = arith.mulf %a_v, %b_v : f32
122            %c_v  = memref.load %C[%i, %j] : memref<100x50xf32>
123            %sum  = arith.addf %c_v, %prod : f32
124            memref.store %sum, %C[%i, %j] : memref<100x50xf32>
125         }
126      }
127   }
128   return %C : memref<100x50xf32>
132 ## Notation
134 MLIR has a simple and unambiguous grammar, allowing it to reliably round-trip
135 through a textual form. This is important for development of the compiler - e.g.
136 for understanding the state of code as it is being transformed and writing test
137 cases.
139 This document describes the grammar using
140 [Extended Backus-Naur Form (EBNF)](https://en.wikipedia.org/wiki/Extended_Backus%E2%80%93Naur_form).
142 This is the EBNF grammar used in this document, presented in yellow boxes.
145 alternation ::= expr0 | expr1 | expr2  // Either expr0 or expr1 or expr2.
146 sequence    ::= expr0 expr1 expr2      // Sequence of expr0 expr1 expr2.
147 repetition0 ::= expr*  // 0 or more occurrences.
148 repetition1 ::= expr+  // 1 or more occurrences.
149 optionality ::= expr?  // 0 or 1 occurrence.
150 grouping    ::= (expr) // Everything inside parens is grouped together.
151 literal     ::= `abcd` // Matches the literal `abcd`.
154 Code examples are presented in blue boxes.
157 // This is an example use of the grammar above:
158 // This matches things like: ba, bana, boma, banana, banoma, bomana...
159 example ::= `b` (`an` | `om`)* `a`
162 ### Common syntax
164 The following core grammar productions are used in this document:
167 // TODO: Clarify the split between lexing (tokens) and parsing (grammar).
168 digit     ::= [0-9]
169 hex_digit ::= [0-9a-fA-F]
170 letter    ::= [a-zA-Z]
171 id-punct  ::= [$._-]
173 integer-literal ::= decimal-literal | hexadecimal-literal
174 decimal-literal ::= digit+
175 hexadecimal-literal ::= `0x` hex_digit+
176 float-literal ::= [-+]?[0-9]+[.][0-9]*([eE][-+]?[0-9]+)?
177 string-literal  ::= `"` [^"\n\f\v\r]* `"`   TODO: define escaping rules
180 Not listed here, but MLIR does support comments. They use standard BCPL syntax,
181 starting with a `//` and going until the end of the line.
184 ### Top level Productions
187 // Top level production
188 toplevel := (operation | attribute-alias-def | type-alias-def)*
191 The production `toplevel` is the top level production that is parsed by any parsing
192 consuming the MLIR syntax. [Operations](#operations),
193 [Attribute aliases](#attribute-value-aliases), and [Type aliases](#type-aliases)
194 can be declared on the toplevel.
196 ### Identifiers and keywords
198 Syntax:
201 // Identifiers
202 bare-id ::= (letter|[_]) (letter|digit|[_$.])*
203 bare-id-list ::= bare-id (`,` bare-id)*
204 value-id ::= `%` suffix-id
205 alias-name :: = bare-id
206 suffix-id ::= (digit+ | ((letter|id-punct) (letter|id-punct|digit)*))
208 symbol-ref-id ::= `@` (suffix-id | string-literal) (`::` symbol-ref-id)?
209 value-id-list ::= value-id (`,` value-id)*
211 // Uses of value, e.g. in an operand list to an operation.
212 value-use ::= value-id (`#` decimal-literal)?
213 value-use-list ::= value-use (`,` value-use)*
216 Identifiers name entities such as values, types and functions, and are chosen by
217 the writer of MLIR code. Identifiers may be descriptive (e.g. `%batch_size`,
218 `@matmul`), or may be non-descriptive when they are auto-generated (e.g. `%23`,
219 `@func42`). Identifier names for values may be used in an MLIR text file but are
220 not persisted as part of the IR - the printer will give them anonymous names
221 like `%42`.
223 MLIR guarantees identifiers never collide with keywords by prefixing identifiers
224 with a sigil (e.g. `%`, `#`, `@`, `^`, `!`). In certain unambiguous contexts
225 (e.g. affine expressions), identifiers are not prefixed, for brevity. New
226 keywords may be added to future versions of MLIR without danger of collision
227 with existing identifiers.
229 Value identifiers are only [in scope](#value-scoping) for the (nested) region in
230 which they are defined and cannot be accessed or referenced outside of that
231 region. Argument identifiers in mapping functions are in scope for the mapping
232 body. Particular operations may further limit which identifiers are in scope in
233 their regions. For instance, the scope of values in a region with
234 [SSA control flow semantics](#control-flow-and-ssacfg-regions) is constrained
235 according to the standard definition of
236 [SSA dominance](https://en.wikipedia.org/wiki/Dominator_\(graph_theory\)).
237 Another example is the [IsolatedFromAbove trait](Traits/#isolatedfromabove),
238 which restricts directly accessing values defined in containing regions.
240 Function identifiers and mapping identifiers are associated with
241 [Symbols](SymbolsAndSymbolTables.md) and have scoping rules dependent on symbol
242 attributes.
244 ## Dialects
246 Dialects are the mechanism by which to engage with and extend the MLIR
247 ecosystem. They allow for defining new [operations](#operations), as well as
248 [attributes](#attributes) and [types](#type-system). Each dialect is given a
249 unique `namespace` that is prefixed to each defined attribute/operation/type.
250 For example, the [Affine dialect](Dialects/Affine.md) defines the namespace:
251 `affine`.
253 MLIR allows for multiple dialects, even those outside of the main tree, to
254 co-exist together within one module. Dialects are produced and consumed by
255 certain passes. MLIR provides a [framework](DialectConversion.md) to convert
256 between, and within, different dialects.
258 A few of the dialects supported by MLIR:
260 *   [Affine dialect](Dialects/Affine.md)
261 *   [Func dialect](Dialects/Func.md)
262 *   [GPU dialect](Dialects/GPU.md)
263 *   [LLVM dialect](Dialects/LLVM.md)
264 *   [SPIR-V dialect](Dialects/SPIR-V.md)
265 *   [Vector dialect](Dialects/Vector.md)
267 ### Target specific operations
269 Dialects provide a modular way in which targets can expose target-specific
270 operations directly through to MLIR. As an example, some targets go through
271 LLVM. LLVM has a rich set of intrinsics for certain target-independent
272 operations (e.g. addition with overflow check) as well as providing access to
273 target-specific operations for the targets it supports (e.g. vector permutation
274 operations). LLVM intrinsics in MLIR are represented via operations that start
275 with an "llvm." name.
277 Example:
279 ```mlir
280 // LLVM: %x = call {i16, i1} @llvm.sadd.with.overflow.i16(i16 %a, i16 %b)
281 %x:2 = "llvm.sadd.with.overflow.i16"(%a, %b) : (i16, i16) -> (i16, i1)
284 These operations only work when targeting LLVM as a backend (e.g. for CPUs and
285 GPUs), and are required to align with the LLVM definition of these intrinsics.
287 ## Operations
289 Syntax:
292 operation             ::= op-result-list? (generic-operation | custom-operation)
293                           trailing-location?
294 generic-operation     ::= string-literal `(` value-use-list? `)`  successor-list?
295                           dictionary-properties? region-list? dictionary-attribute?
296                           `:` function-type
297 custom-operation      ::= bare-id custom-operation-format
298 op-result-list        ::= op-result (`,` op-result)* `=`
299 op-result             ::= value-id (`:` integer-literal)?
300 successor-list        ::= `[` successor (`,` successor)* `]`
301 successor             ::= caret-id (`:` block-arg-list)?
302 dictionary-properties ::= `<` dictionary-attribute `>`
303 region-list           ::= `(` region (`,` region)* `)`
304 dictionary-attribute  ::= `{` (attribute-entry (`,` attribute-entry)*)? `}`
305 trailing-location     ::= `loc` `(` location `)`
308 MLIR introduces a uniform concept called *operations* to enable describing many
309 different levels of abstractions and computations. Operations in MLIR are fully
310 extensible (there is no fixed list of operations) and have application-specific
311 semantics. For example, MLIR supports
312 [target-independent operations](Dialects/MemRef.md),
313 [affine operations](Dialects/Affine.md), and
314 [target-specific machine operations](#target-specific-operations).
316 The internal representation of an operation is simple: an operation is
317 identified by a unique string (e.g. `dim`, `tf.Conv2d`, `x86.repmovsb`,
318 `ppc.eieio`, etc), can return zero or more results, take zero or more operands,
319 has storage for [properties](#properties), has a dictionary of
320 [attributes](#attributes), has zero or more successors, and zero or more
321 enclosed [regions](#regions). The generic printing form includes all these
322 elements literally, with a function type to indicate the types of the
323 results and operands.
325 Example:
327 ```mlir
328 // An operation that produces two results.
329 // The results of %result can be accessed via the <name> `#` <opNo> syntax.
330 %result:2 = "foo_div"() : () -> (f32, i32)
332 // Pretty form that defines a unique name for each result.
333 %foo, %bar = "foo_div"() : () -> (f32, i32)
335 // Invoke a TensorFlow function called tf.scramble with two inputs
336 // and an attribute "fruit" stored in properties.
337 %2 = "tf.scramble"(%result#0, %bar) <{fruit = "banana"}> : (f32, i32) -> f32
339 // Invoke an operation with some discardable attributes
340 %foo, %bar = "foo_div"() {some_attr = "value", other_attr = 42 : i64} : () -> (f32, i32)
343 In addition to the basic syntax above, dialects may register known operations.
344 This allows those dialects to support *custom assembly form* for parsing and
345 printing operations. In the operation sets listed below, we show both forms.
347 ### Builtin Operations
349 The [builtin dialect](Dialects/Builtin.md) defines a select few operations that
350 are widely applicable by MLIR dialects, such as a universal conversion cast
351 operation that simplifies inter/intra dialect conversion. This dialect also
352 defines a top-level `module` operation, that represents a useful IR container.
354 ## Blocks
356 Syntax:
359 block           ::= block-label operation+
360 block-label     ::= block-id block-arg-list? `:`
361 block-id        ::= caret-id
362 caret-id        ::= `^` suffix-id
363 value-id-and-type ::= value-id `:` type
365 // Non-empty list of names and types.
366 value-id-and-type-list ::= value-id-and-type (`,` value-id-and-type)*
368 block-arg-list ::= `(` value-id-and-type-list? `)`
371 A *Block* is a list of operations. In
372 [SSACFG regions](#control-flow-and-ssacfg-regions), each block represents a
373 compiler [basic block](https://en.wikipedia.org/wiki/Basic_block) where
374 instructions inside the block are executed in order and terminator operations
375 implement control flow branches between basic blocks.
377 The last operation in a block must be a
378 [terminator operation](#control-flow-and-ssacfg-regions). A region with a single
379 block may opt out of this requirement by attaching the `NoTerminator` on the
380 enclosing op. The top-level `ModuleOp` is an example of such an operation which
381 defines this trait and whose block body does not have a terminator.
383 Blocks in MLIR take a list of block arguments, notated in a function-like way.
384 Block arguments are bound to values specified by the semantics of individual
385 operations. Block arguments of the entry block of a region are also arguments to
386 the region and the values bound to these arguments are determined by the
387 semantics of the containing operation. Block arguments of other blocks are
388 determined by the semantics of terminator operations, e.g. Branches, which have
389 the block as a successor. In regions with
390 [control flow](#control-flow-and-ssacfg-regions), MLIR leverages this structure
391 to implicitly represent the passage of control-flow dependent values without the
392 complex nuances of PHI nodes in traditional SSA representations. Note that
393 values which are not control-flow dependent can be referenced directly and do
394 not need to be passed through block arguments.
396 Here is a simple example function showing branches, returns, and block
397 arguments:
399 ```mlir
400 func.func @simple(i64, i1) -> i64 {
401 ^bb0(%a: i64, %cond: i1): // Code dominated by ^bb0 may refer to %a
402   cf.cond_br %cond, ^bb1, ^bb2
404 ^bb1:
405   cf.br ^bb3(%a: i64)    // Branch passes %a as the argument
407 ^bb2:
408   %b = arith.addi %a, %a : i64
409   cf.br ^bb3(%b: i64)    // Branch passes %b as the argument
411 // ^bb3 receives an argument, named %c, from predecessors
412 // and passes it on to bb4 along with %a. %a is referenced
413 // directly from its defining operation and is not passed through
414 // an argument of ^bb3.
415 ^bb3(%c: i64):
416   cf.br ^bb4(%c, %a : i64, i64)
418 ^bb4(%d : i64, %e : i64):
419   %0 = arith.addi %d, %e : i64
420   return %0 : i64   // Return is also a terminator.
424 **Context:** The "block argument" representation eliminates a number of special
425 cases from the IR compared to traditional "PHI nodes are operations" SSA IRs
426 (like LLVM). For example, the
427 [parallel copy semantics](http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.524.5461&rep=rep1&type=pdf)
428 of SSA is immediately apparent, and function arguments are no longer a special
429 case: they become arguments to the entry block
430 [[more rationale](Rationale/Rationale.md/#block-arguments-vs-phi-nodes)]. Blocks
431 are also a fundamental concept that cannot be represented by operations because
432 values defined in an operation cannot be accessed outside the operation.
434 ## Regions
436 ### Definition
438 A region is an ordered list of MLIR [Blocks](#blocks). The semantics within a
439 region is not imposed by the IR. Instead, the containing operation defines the
440 semantics of the regions it contains. MLIR currently defines two kinds of
441 regions: [SSACFG regions](#control-flow-and-ssacfg-regions), which describe
442 control flow between blocks, and [Graph regions](#graph-regions), which do not
443 require control flow between block. The kinds of regions within an operation are
444 described using the [RegionKindInterface](Interfaces.md/#regionkindinterfaces).
446 Regions do not have a name or an address, only the blocks contained in a region
447 do. Regions must be contained within operations and have no type or attributes.
448 The first block in the region is a special block called the 'entry block'. The
449 arguments to the entry block are also the arguments of the region itself. The
450 entry block cannot be listed as a successor of any other block. The syntax for a
451 region is as follows:
454 region      ::= `{` entry-block? block* `}`
455 entry-block ::= operation+
458 A function body is an example of a region: it consists of a CFG of blocks and
459 has additional semantic restrictions that other types of regions may not have.
460 For example, in a function body, block terminators must either branch to a
461 different block, or return from a function where the types of the `return`
462 arguments must match the result types of the function signature. Similarly, the
463 function arguments must match the types and count of the region arguments. In
464 general, operations with regions can define these correspondences arbitrarily.
466 An *entry block* is a block with no label and no arguments that may occur at
467 the beginning of a region. It enables a common pattern of using a region to
468 open a new scope.
471 ### Value Scoping
473 Regions provide hierarchical encapsulation of programs: it is impossible to
474 reference, i.e. branch to, a block which is not in the same region as the source
475 of the reference, i.e. a terminator operation. Similarly, regions provides a
476 natural scoping for value visibility: values defined in a region don't escape to
477 the enclosing region, if any. By default, operations inside a region can
478 reference values defined outside of the region whenever it would have been legal
479 for operands of the enclosing operation to reference those values, but this can
480 be restricted using traits, such as
481 [OpTrait::IsolatedFromAbove](Traits/#isolatedfromabove), or a custom
482 verifier.
484 Example:
486 ```mlir
487   "any_op"(%a) ({ // if %a is in-scope in the containing region...
488      // then %a is in-scope here too.
489     %new_value = "another_op"(%a) : (i64) -> (i64)
490   }) : (i64) -> (i64)
493 MLIR defines a generalized 'hierarchical dominance' concept that operates across
494 hierarchy and defines whether a value is 'in scope' and can be used by a
495 particular operation. Whether a value can be used by another operation in the
496 same region is defined by the kind of region. A value defined in a region can be
497 used by an operation which has a parent in the same region, if and only if the
498 parent could use the value. A value defined by an argument to a region can
499 always be used by any operation deeply contained in the region. A value defined
500 in a region can never be used outside of the region.
502 ### Control Flow and SSACFG Regions
504 In MLIR, control flow semantics of a region is indicated by
505 [RegionKind::SSACFG](Interfaces.md/#regionkindinterfaces). Informally, these
506 regions support semantics where operations in a region 'execute sequentially'.
507 Before an operation executes, its operands have well-defined values. After an
508 operation executes, the operands have the same values and results also have
509 well-defined values. After an operation executes, the next operation in the
510 block executes until the operation is the terminator operation at the end of a
511 block, in which case some other operation will execute. The determination of the
512 next instruction to execute is the 'passing of control flow'.
514 In general, when control flow is passed to an operation, MLIR does not restrict
515 when control flow enters or exits the regions contained in that operation.
516 However, when control flow enters a region, it always begins in the first block
517 of the region, called the *entry* block. Terminator operations ending each block
518 represent control flow by explicitly specifying the successor blocks of the
519 block. Control flow can only pass to one of the specified successor blocks as in
520 a `branch` operation, or back to the containing operation as in a `return`
521 operation. Terminator operations without successors can only pass control back
522 to the containing operation. Within these restrictions, the particular semantics
523 of terminator operations is determined by the specific dialect operations
524 involved. Blocks (other than the entry block) that are not listed as a successor
525 of a terminator operation are defined to be unreachable and can be removed
526 without affecting the semantics of the containing operation.
528 Although control flow always enters a region through the entry block, control
529 flow may exit a region through any block with an appropriate terminator. The
530 standard dialect leverages this capability to define operations with
531 Single-Entry-Multiple-Exit (SEME) regions, possibly flowing through different
532 blocks in the region and exiting through any block with a `return` operation.
533 This behavior is similar to that of a function body in most programming
534 languages. In addition, control flow may also not reach the end of a block or
535 region, for example if a function call does not return.
537 Example:
539 ```mlir
540 func.func @accelerator_compute(i64, i1) -> i64 { // An SSACFG region
541 ^bb0(%a: i64, %cond: i1): // Code dominated by ^bb0 may refer to %a
542   cf.cond_br %cond, ^bb1, ^bb2
544 ^bb1:
545   // This def for %value does not dominate ^bb2
546   %value = "op.convert"(%a) : (i64) -> i64
547   cf.br ^bb3(%a: i64)    // Branch passes %a as the argument
549 ^bb2:
550   accelerator.launch() { // An SSACFG region
551     ^bb0:
552       // Region of code nested under "accelerator.launch", it can reference %a but
553       // not %value.
554       %new_value = "accelerator.do_something"(%a) : (i64) -> ()
555   }
556   // %new_value cannot be referenced outside of the region
558 ^bb3:
559   ...
563 #### Operations with Multiple Regions
565 An operation containing multiple regions also completely determines the
566 semantics of those regions. In particular, when control flow is passed to an
567 operation, it may transfer control flow to any contained region. When control
568 flow exits a region and is returned to the containing operation, the containing
569 operation may pass control flow to any region in the same operation. An
570 operation may also pass control flow to multiple contained regions concurrently.
571 An operation may also pass control flow into regions that were specified in
572 other operations, in particular those that defined the values or symbols the
573 given operation uses as in a call operation. This passage of control is
574 generally independent of passage of control flow through the basic blocks of the
575 containing region.
577 #### Closure
579 Regions allow defining an operation that creates a closure, for example by
580 “boxing” the body of the region into a value they produce. It remains up to the
581 operation to define its semantics. Note that if an operation triggers
582 asynchronous execution of the region, it is under the responsibility of the
583 operation caller to wait for the region to be executed guaranteeing that any
584 directly used values remain live.
586 ### Graph Regions
588 In MLIR, graph-like semantics in a region is indicated by
589 [RegionKind::Graph](Interfaces.md/#regionkindinterfaces). Graph regions are
590 appropriate for concurrent semantics without control flow, or for modeling
591 generic directed graph data structures. Graph regions are appropriate for
592 representing cyclic relationships between coupled values where there is no
593 fundamental order to the relationships. For instance, operations in a graph
594 region may represent independent threads of control with values representing
595 streams of data. As usual in MLIR, the particular semantics of a region is
596 completely determined by its containing operation. Graph regions may only
597 contain a single basic block (the entry block).
599 **Rationale:** Currently graph regions are arbitrarily limited to a single basic
600 block, although there is no particular semantic reason for this limitation. This
601 limitation has been added to make it easier to stabilize the pass infrastructure
602 and commonly used passes for processing graph regions to properly handle
603 feedback loops. Multi-block regions may be allowed in the future if use cases
604 that require it arise.
606 In graph regions, MLIR operations naturally represent nodes, while each MLIR
607 value represents a multi-edge connecting a single source node and multiple
608 destination nodes. All values defined in the region as results of operations are
609 in scope within the region and can be accessed by any other operation in the
610 region. In graph regions, the order of operations within a block and the order
611 of blocks in a region is not semantically meaningful and non-terminator
612 operations may be freely reordered, for instance, by canonicalization. Other
613 kinds of graphs, such as graphs with multiple source nodes and multiple
614 destination nodes, can also be represented by representing graph edges as MLIR
615 operations.
617 Note that cycles can occur within a single block in a graph region, or between
618 basic blocks.
620 ```mlir
621 "test.graph_region"() ({ // A Graph region
622   %1 = "op1"(%1, %3) : (i32, i32) -> (i32)  // OK: %1, %3 allowed here
623   %2 = "test.ssacfg_region"() ({
624      %5 = "op2"(%1, %2, %3, %4) : (i32, i32, i32, i32) -> (i32) // OK: %1, %2, %3, %4 all defined in the containing region
625   }) : () -> (i32)
626   %3 = "op2"(%1, %4) : (i32, i32) -> (i32)  // OK: %4 allowed here
627   %4 = "op3"(%1) : (i32) -> (i32)
628 }) : () -> ()
631 ### Arguments and Results
633 The arguments of the first block of a region are treated as arguments of the
634 region. The source of these arguments is defined by the semantics of the parent
635 operation. They may correspond to some of the values the operation itself uses.
637 Regions produce a (possibly empty) list of values. The operation semantics
638 defines the relation between the region results and the operation results.
640 ## Type System
642 Each value in MLIR has a type defined by the type system. MLIR has an open type
643 system (i.e. there is no fixed list of types), and types may have
644 application-specific semantics. MLIR dialects may define any number of types
645 with no restrictions on the abstractions they represent.
648 type ::= type-alias | dialect-type | builtin-type
650 type-list-no-parens ::=  type (`,` type)*
651 type-list-parens ::= `(` `)`
652                    | `(` type-list-no-parens `)`
654 // This is a common way to refer to a value with a specified type.
655 ssa-use-and-type ::= ssa-use `:` type
656 ssa-use ::= value-use
658 // Non-empty list of names and types.
659 ssa-use-and-type-list ::= ssa-use-and-type (`,` ssa-use-and-type)*
661 function-type ::= (type | type-list-parens) `->` (type | type-list-parens)
664 ### Type Aliases
667 type-alias-def ::= `!` alias-name `=` type
668 type-alias ::= `!` alias-name
671 MLIR supports defining named aliases for types. A type alias is an identifier
672 that can be used in the place of the type that it defines. These aliases *must*
673 be defined before their uses. Alias names may not contain a '.', since those
674 names are reserved for [dialect types](#dialect-types).
676 Example:
678 ```mlir
679 !avx_m128 = vector<4 x f32>
681 // Using the original type.
682 "foo"(%x) : vector<4 x f32> -> ()
684 // Using the type alias.
685 "foo"(%x) : !avx_m128 -> ()
688 ### Dialect Types
690 Similarly to operations, dialects may define custom extensions to the type
691 system.
694 dialect-namespace ::= bare-id
696 dialect-type ::= `!` (opaque-dialect-type | pretty-dialect-type)
697 opaque-dialect-type ::= dialect-namespace dialect-type-body
698 pretty-dialect-type ::= dialect-namespace `.` pretty-dialect-type-lead-ident
699                                               dialect-type-body?
700 pretty-dialect-type-lead-ident ::= `[A-Za-z][A-Za-z0-9._]*`
702 dialect-type-body ::= `<` dialect-type-contents+ `>`
703 dialect-type-contents ::= dialect-type-body
704                             | `(` dialect-type-contents+ `)`
705                             | `[` dialect-type-contents+ `]`
706                             | `{` dialect-type-contents+ `}`
707                             | [^\[<({\]>)}\0]+
710 Dialect types are generally specified in an opaque form, where the contents
711 of the type are defined within a body wrapped with the dialect namespace
712 and `<>`. Consider the following examples:
714 ```mlir
715 // A tensorflow string type.
716 !tf<string>
718 // A type with complex components.
719 !foo<something<abcd>>
721 // An even more complex type.
722 !foo<"a123^^^" + bar>
725 Dialect types that are simple enough may use a prettier format, which unwraps
726 part of the syntax into an equivalent, but lighter weight form:
728 ```mlir
729 // A tensorflow string type.
730 !tf.string
732 // A type with complex components.
733 !foo.something<abcd>
736 See [here](DefiningDialects/AttributesAndTypes.md) to learn how to define dialect types.
738 ### Builtin Types
740 The [builtin dialect](Dialects/Builtin.md) defines a set of types that are
741 directly usable by any other dialect in MLIR. These types cover a range from
742 primitive integer and floating-point types, function types, and more.
744 ## Properties
746 Properties are extra data members stored directly on an Operation class. They
747 provide a way to store [inherent attributes](#attributes) and other arbitrary
748 data. The semantics of the data is specific to a given operation, and may be
749 exposed through [Interfaces](Interfaces.md) accessors and other methods.
750 Properties can always be serialized to Attribute in order to be printed
751 generically.
753 ## Attributes
755 Syntax:
758 attribute-entry ::= (bare-id | string-literal) `=` attribute-value
759 attribute-value ::= attribute-alias | dialect-attribute | builtin-attribute
762 Attributes are the mechanism for specifying constant data on operations in
763 places where a variable is never allowed - e.g. the comparison predicate of a
764 [`cmpi` operation](Dialects/ArithOps.md/#arithcmpi-arithcmpiop). Each operation has an
765 attribute dictionary, which associates a set of attribute names to attribute
766 values. MLIR's builtin dialect provides a rich set of
767 [builtin attribute values](#builtin-attribute-values) out of the box (such as
768 arrays, dictionaries, strings, etc.). Additionally, dialects can define their
769 own [dialect attribute values](#dialect-attribute-values).
771 For dialects which haven't adopted properties yet, the top-level attribute
772 dictionary attached to an operation has special semantics. The attribute
773 entries are considered to be of two different kinds based on whether their
774 dictionary key has a dialect prefix:
776 -   *inherent attributes* are inherent to the definition of an operation's
777     semantics. The operation itself is expected to verify the consistency of
778     these attributes. An example is the `predicate` attribute of the
779     `arith.cmpi` op. These attributes must have names that do not start with a
780     dialect prefix.
782 -   *discardable attributes* have semantics defined externally to the operation
783     itself, but must be compatible with the operations's semantics. These
784     attributes must have names that start with a dialect prefix. The dialect
785     indicated by the dialect prefix is expected to verify these attributes. An
786     example is the `gpu.container_module` attribute.
788 Note that attribute values are allowed to themselves be dictionary attributes,
789 but only the top-level dictionary attribute attached to the operation is subject
790 to the classification above.
792 When properties are adopted, only discardable attributes are stored in the
793 top-level dictionary, while inherent attributes are stored in the properties
794 storage.
796 ### Attribute Value Aliases
799 attribute-alias-def ::= `#` alias-name `=` attribute-value
800 attribute-alias ::= `#` alias-name
803 MLIR supports defining named aliases for attribute values. An attribute alias is
804 an identifier that can be used in the place of the attribute that it defines.
805 These aliases *must* be defined before their uses. Alias names may not contain a
806 '.', since those names are reserved for
807 [dialect attributes](#dialect-attribute-values).
809 Example:
811 ```mlir
812 #map = affine_map<(d0) -> (d0 + 10)>
814 // Using the original attribute.
815 %b = affine.apply affine_map<(d0) -> (d0 + 10)> (%a)
817 // Using the attribute alias.
818 %b = affine.apply #map(%a)
821 ### Dialect Attribute Values
823 Similarly to operations, dialects may define custom attribute values.
826 dialect-namespace ::= bare-id
828 dialect-attribute ::= `#` (opaque-dialect-attribute | pretty-dialect-attribute)
829 opaque-dialect-attribute ::= dialect-namespace dialect-attribute-body
830 pretty-dialect-attribute ::= dialect-namespace `.` pretty-dialect-attribute-lead-ident
831                                               dialect-attribute-body?
832 pretty-dialect-attribute-lead-ident ::= `[A-Za-z][A-Za-z0-9._]*`
834 dialect-attribute-body ::= `<` dialect-attribute-contents+ `>`
835 dialect-attribute-contents ::= dialect-attribute-body
836                             | `(` dialect-attribute-contents+ `)`
837                             | `[` dialect-attribute-contents+ `]`
838                             | `{` dialect-attribute-contents+ `}`
839                             | [^\[<({\]>)}\0]+
842 Dialect attributes are generally specified in an opaque form, where the contents
843 of the attribute are defined within a body wrapped with the dialect namespace
844 and `<>`. Consider the following examples:
846 ```mlir
847 // A string attribute.
848 #foo<string<"">>
850 // A complex attribute.
851 #foo<"a123^^^" + bar>
854 Dialect attributes that are simple enough may use a prettier format, which unwraps
855 part of the syntax into an equivalent, but lighter weight form:
857 ```mlir
858 // A string attribute.
859 #foo.string<"">
862 See [here](DefiningDialects/AttributesAndTypes.md) on how to define dialect attribute values.
864 ### Builtin Attribute Values
866 The [builtin dialect](Dialects/Builtin.md) defines a set of attribute values
867 that are directly usable by any other dialect in MLIR. These types cover a range
868 from primitive integer and floating-point values, attribute dictionaries, dense
869 multi-dimensional arrays, and more.
871 ### IR Versioning
873 A dialect can opt-in to handle versioning through the
874 `BytecodeDialectInterface`. Few hooks are exposed to the dialect to allow
875 managing a version encoded into the bytecode file. The version is loaded lazily
876 and allows to retrieve the version information while parsing the input IR, and
877 gives an opportunity to each dialect for which a version is present to perform
878 IR upgrades post-parsing through the `upgradeFromVersion` method. Custom
879 Attribute and Type encodings can also be upgraded according to the dialect
880 version using readAttribute and readType methods.
882 There is no restriction on what kind of information a dialect is allowed to
883 encode to model its versioning. Currently, versioning is supported only for
884 bytecode formats.