.
[mu.git] / mu.md
blob30227931e5b77b0d81f2bb95e600b301fe4eae3a
1 # Mu Reference
3 Mu programs are sequences of `fn` and `type` definitions.
5 ## Functions
7 Define functions with the `fn` keyword. For example:
9 ```
10   fn foo arg1: int, arg2: int -> result/eax: boolean
11 ```
13 Functions contain `{}` blocks, `var` declarations, primitive statements and
14 calls to other functions. Only `{}` blocks can nest. Primitive statements and
15 function calls look similar:
17 ```
18   out1, out2, out3, ... <- operation inout1, inout2, inout3, ...
19 ```
21 They can take any number of inouts and outputs, including 0. Statements
22 with 0 outputs also drop the `<-`.
24 Inouts can be either variables in memory, variables in registers, or
25 constants. Outputs are always variables in registers.
27 Inouts in memory can be either inputs or outputs (if they're addresses being
28 written to). Hence the name.
30 Primitives usually require their inouts to be in specific combinations of
31 memory and register. User-defined functions are flexible.
33 Primitives can often write to arbitrary output registers. User-defined
34 functions, however, require rigidly specified output registers.
36 ## Variables, registers and memory
38 Declare local variables in a function using the `var` keyword.
40 You can declare local variables in either registers or memory (the stack). So
41 a `var` statement has two forms:
42   - Living in a register, e.g. `var x/eax: int <- copy 0` defines `x` which
43     lives in `eax`.
44   - Living in memory, e.g. `var x: int` defines `x` on the stack.
46 Variables in registers must be initialized. Variables on the stack are
47 implicitly zeroed out.
49 Variables exist only within the `{}` block they're defined in. Space allocated
50 to them on the stack is reclaimed after execution leaves the block. Registers
51 restore whatever variable was using them in the outer block.
53 It is perfectly ok to reuse a register for a new variable. Even in a single
54 block (though you permanently lose the old variable then).
56 Variables can be in six 32-bit _general-purpose_ registers of the x86 processor.
57   - eax
58   - ebx
59   - ecx
60   - edx
61   - esi ('s' often a mnemonic for 'source')
62   - edi ('d' often a mnemonic for 'destination')
64 Most functions return results in `eax` by convention. In practice, it ends up
65 churning through variables pretty quickly.
67 You can store several types in these registers:
68   - int
69   - boolean
70   - (addr T) (address into memory)
71   - byte (uses only 8 bits)
72   - code-point (Unicode)
73   - grapheme (code-point encoded in UTF-8)
75 There's one 32-bit type you _cannot_ store in these registers:
76   - float
78 It instead uses eight separate 32-bit registers: xmm0, xmm1, ..., xmm7
80 Types that require more than 32 bits (4 bytes) cannot be stored in registers:
81   - (array T)
82   - (handle T)
83   - (stream T)
84   - slice
85   - any compound types you define using the `type` keyword
87 `T` here can be any type, including combinations of types. For example:
88   - (array int) -- an array of ints
89   - (addr int) -- an address to an int
90   - (addr array byte) -- an address to an array of bytes, useful for Unicode
91     text strings
92   - (handle int) -- a handle to an int
93   - (addr handle int) -- an address to a handle to int
94   - (addr array handle int) -- an address to an array of handles to ints
95   - ...and so on.
97 Other miscellaneous restrictions:
98   - `byte` variables must be either in registers or on the heap, never local
99     variables on the stack.
100   - `addr` variables can never "escape" a function either by being returned or
101     by being written to a memory location. When you need that sort of thing,
102     use a `handle` instead.
104 ## Operations on simple types
106 We'll now survey a long list of statement forms that operate on 32-bit types.
107 Most of these are primitives, but some are also implemented as functions
108 (which have slightly different rules as mentioned up top). Most instructions
109 with multiple args require types to match. Various operations have other
110 restrictions which we'll note below, using the following notation:
111   - `var/reg` indicates a variable in some register. Where we require a
112     variable in a specific register, we'll mention it explicitly. E.g.
113     `var/eax`.
114   - `var/xreg` indicates a variable in some floating-point register `xmm_`.
115   - `var` without a `reg` indicates either a variable on the stack, or
116     dereferencing a variable in a (non-floating-point) register: `*var/reg`.
117   - `var: type` indicates a variable that must satisfy some type constraint.
118   - `n` indicates a literal integer. There are no floating-point literals.
120 ### Moving values around
122 These instructions work with variables of any 32-bit type except `byte` and
123 `float`.
126   var/reg <- copy var2/reg2
127   copy-to var1, var2/reg
128   var/reg <- copy var2
129   var/reg <- copy n
130   copy-to var, n
133 Byte variables have their own instructions:
136   var/reg <- copy-byte var2/reg2
137   var/reg <- copy-byte *var2/reg2     # var2 must have type (addr byte)
138   copy-byte-to *var1/reg1, var2/reg2  # var1 must have type (addr byte)
141 Floating point variables can be copied as well, but only to or from
142 floating-point registers `xmm_`.
145   var/xreg <- copy var2/xreg2
146   copy-to var1, var2/xreg
147   var/xreg <- copy var2
148   var/xreg <- copy *var2/reg2         # var2 must have type (addr byte) and live in a general-purpose register
151 There's no way to copy a literal to a floating-point register. However,
152 there's a few ways to convert non-float values in general-purpose registers.
155   var/xreg <- convert var2/reg2
156   var/xreg <- convert var2
157   var/xreg <- convert *var2/reg2
160 Correspondingly, there are ways to convert floats into integers, with and
161 without rounding.
164   var/reg <- convert var2/xreg2
165   var/reg <- convert var2
166   var/reg <- convert *var2/reg2
168   var/reg <- truncate var2/xreg2
169   var/reg <- truncate var2
170   var/reg <- truncate *var2/reg2
173 Still, the absence of fractional literals is an annoyance. Mu provides some
174 helpers to mitigate it somewhat:
177   result/xmm0 <- rational numerator: int, denominator: int
178   fill-in-rational out: (addr float), numerator: int, denominator: int
181 These are functions, so the inouts have fewer restrictions while the outputs
182 have more. The inouts can be registers, or memory, or even literals. The
183 output for `rational` _must_ be in register `xmm0`.
185 ### Comparing values
187 Work with variables of any 32-bit type. `addr` variables can only be compared
188 to 0.
191   compare var1, var2/reg
192   compare var1/reg, var2
193   compare var/eax, n
194   compare var, n
197 Floating-point numbers cannot be compared to literals, and the register must
198 come first.
201   compare var1/xreg1, var2/xreg2
202   compare var1/xreg1, var2
205 ### Branches
207 Immediately after a `compare` instruction you can branch on its result. For
208 example:
211   break-if-=
214 This instruction will jump to after the enclosing `{}` block if the previous
215 `compare` detected equality. Here's the list of conditional and unconditional
216 `break` instructions:
219   break
220   break-if-=
221   break-if-!=
222   break-if-<
223   break-if->
224   break-if-<=
225   break-if->=
228 Similarly, you can jump back to the start of the enclosing `{}` block with
229 `loop`. Here's the list of `loop` instructions.
232   loop
233   loop-if-=
234   loop-if-!=
235   loop-if-<
236   loop-if->
237   loop-if-<=
238   loop-if->=
241 Additionally, there are special variants for comparing `addr` and `float`
242 values, which results in the following comprehensive list of jumps:
245   break
246   break-if-=
247   break-if-!=
248   break-if-<    break-if-addr<    break-if-float<
249   break-if->    break-if-addr>    break-if-float>
250   break-if-<=   break-if-addr<=   break-if-float<=
251   break-if->=   break-if-addr>=   break-if-float>=
253   loop
254   loop-if-=
255   loop-if-!=
256   loop-if-<     loop-if-addr<     loop-if-float<
257   loop-if->     loop-if-addr>     loop-if-float>
258   loop-if-<=    loop-if-addr<=    loop-if-float<=
259   loop-if->=    loop-if-addr>=    loop-if-float>=
262 One final property all these jump instructions share: they can take an
263 optional block name to jump to. For example:
266   a: {
267     ...
268     break a     #----------|
269     ...               #    |
270   }                   # <--|
273   a: {                # <--|
274     ...               #    |
275     b: {              #    |
276       ...             #    |
277       loop a    #----------|
278       ...
279     }
280     ...
281   }
284 However, there's no way to jump to a block that doesn't contain the `loop` or
285 `break` instruction.
287 ### Integer arithmetic
289 These instructions require variables of non-`addr`, non-`float` types.
291 Add:
293   var1/reg1 <- add var2/reg2
294   var/reg <- add var2
295   add-to var1, var2/reg                 # var1 += var2
296   var/reg <- add n
297   add-to var, n
300 Subtract:
302   var1/reg1 <- subtract var2/reg2
303   var/reg <- subtract var2
304   subtract-from var1, var2/reg          # var1 -= var2
305   var/reg <- subtract n
306   subtract-from var, n
309 Add one:
311   var/reg <- increment
312   increment var
315 Subtract one:
317   var/reg <- decrement
318   decrement var
321 Multiply:
323   var/reg <- multiply var2
326 The result of a multiply must be a register.
328 Negate:
330   var1/reg1 <- negate
331   negate var
334 ### Fractional arithmetic
336 Operations on `float` variables include a few we've seen before and some new
337 ones. Notice here that we mostly use floating-point registers `xmm_`, but
338 still use the general-purpose registers when dereferencing variables of type
339 `(addr float)`.
342   var/xreg <- add var2/xreg2
343   var/xreg <- add var2
344   var/xreg <- add *var2/reg2
346   var/xreg <- subtract var2/xreg2
347   var/xreg <- subtract var2
348   var/xreg <- subtract *var2/reg2
350   var/xreg <- multiply var2/xreg2
351   var/xreg <- multiply var2
352   var/xreg <- multiply *var2/reg2
354   var/xreg <- divide var2/xreg2
355   var/xreg <- divide var2
356   var/xreg <- divide *var2/reg2
358   var/xreg <- reciprocal var2/xreg2
359   var/xreg <- reciprocal var2
360   var/xreg <- reciprocal *var2/reg2
362   var/xreg <- square-root var2/xreg2
363   var/xreg <- square-root var2
364   var/xreg <- square-root *var2/reg2
366   var/xreg <- inverse-square-root var2/xreg2
367   var/xreg <- inverse-square-root var2
368   var/xreg <- inverse-square-root *var2/reg2
370   var/xreg <- min var2/xreg2
371   var/xreg <- min var2
372   var/xreg <- min *var2/reg2
374   var/xreg <- max var2/xreg2
375   var/xreg <- max var2
376   var/xreg <- max *var2/reg2
379 Two instructions in the above list are approximate. According to the Intel
380 manual, `reciprocal` and `inverse-square-root` [go off the rails around the
381 fourth decimal place](linux/x86_approx.md). If you need more precision, use
382 `divide` separately.
384 ### Bitwise boolean operations
386 These require variables of non-`addr`, non-`float` types.
388 And:
390   var1/reg1 <- and var2/reg2
391   var/reg <- and var2
392   and-with var1, var2/reg
393   var/reg <- and n
394   and-with var, n
399   var1/reg1 <- or var2/reg2
400   var/reg <- or var2
401   or-with var1, var2/reg
402   var/reg <- or n
403   or-with var, n
406 Not:
408   var1/reg1 <- not
409   not var
412 Xor:
414   var1/reg1 <- xor var2/reg2
415   var/reg <- xor var2
416   xor-with var1, var2/reg
417   var/reg <- xor n
418   xor-with var, n
421 ### Bitwise shifts
423 Shifts require variables of non-`addr`, non-`float` types.
426   var/reg <- shift-left n
427   var/reg <- shift-right n
428   var/reg <- shift-right-signed n
429   shift-left var, n
430   shift-right var, n
431   shift-right-signed var, n
434 Shifting bits left always inserts zeros on the right.
435 Shifting bits right inserts zeros on the left by default.
436 A _signed_ shift right duplicates the leftmost bit, thereby preserving the
437 sign of an integer.
439 ## Operations on more complex types
441 These instructions work with any type `T`. As before we use `/reg` here to
442 indicate when a variable must live in a register. We also include type
443 constraints after a `:`.
445 ### Addresses and handles
447 You can compute the address of any variable in memory (never in registers):
450   var/reg: (addr T) <- address var2: T
453 As mentioned up top, `addr` variables can never escape the function where
454 they're computed. You can't store them on the heap, or in compound types.
455 Think of them as short-lived things.
457 To manage long-lived addresses, _allocate_ them on the heap.
460   allocate var: (addr handle T)       # var can be in either register or memory
463 Handles can be copied and stored without restriction. However, they're too
464 large to fit in a register. You also can't access their payload directly, you
465 have to first convert them into a short-lived `addr` using _lookup_.
468   var y/eax: (addr T) <- lookup x: (handle T)
471 Since handles are large compound types, there's a special helper for comparing
472 them:
475   var/eax: boolean <- handle-equal? var1: (handle T), var2: (handle T)
478 ### Arrays
480 Arrays are declared in two ways:
481   1. On the stack with a literal size:
483   var x: (array int 3)
485   2. On the heap with a potentially variable size. For example:
487   var x: (handle array int)
488   var x-ah/eax: (addr handle array int) <- address x
489   populate x-ah, 8
492 The `8` here can also be an int in a register or memory. (The `-ah` is a
493 common variable naming convention and stands for "address of a handle".
494 Essential for allocating long-lived data on the heap.)
496 You can compute the length of an array, though you'll need an `addr` to do so:
499   var/reg: int <- length arr/reg: (addr array T)
502 To read from or write to an array, use `index` to first obtain an address to
503 read from or modify:
506   var/reg: (addr T) <- index arr/reg: (addr array T), n
507   var/reg: (addr T) <- index arr: (array T len), n
510 Like our notation of `n`, `len` here is required to be a literal.
512 The index requested can also be a variable in a register, with one caveat:
515   var/reg: (addr T) <- index arr/reg: (addr array T), idx/reg: int
516   var/reg: (addr T) <- index arr: (array T len), idx/reg: int
519 The caveat: the size of T must be 1, 2, 4 or 8 bytes. For other sizes of T
520 you'll need to split up the work, performing a `compute-offset` before the
521 `index`.
524   var/reg: (offset T) <- compute-offset arr: (addr array T), idx/reg: int     # arr can be in reg or mem
525   var/reg: (offset T) <- compute-offset arr: (addr array T), idx: int         # arr can be in reg or mem
528 The result of a `compute-offset` statement can be passed to `index`:
531   var/reg: (addr T) <- index arr/reg: (addr array T), idx/reg: (offset T)
534 ### Stream operations
536 A common use for arrays is as buffers. Save a few items to a scratch space and
537 then process them. This pattern is so common (we use it in files) that there's
538 special support for it with a built-in type: `stream`.
540 Streams are like arrays in many ways. You can initialize them with a length on
541 the stack:
544   var x: (stream int 3)
547 You can also populate them on the heap:
549   var x: (handle stream int)
550   var x-ah/eax: (addr handle stream int) <- address x
551   populate-stream x-ah, 8
554 However, streams don't provide random access with an `index` instruction.
555 Instead, you write to them sequentially, and read back what you wrote.
558   read-from-stream s: (addr stream T), out: (addr T)
559   write-to-stream s: (addr stream T), in: (addr T)
562 Streams of bytes are particularly common for managing Unicode text, and there
563 are a few functions to help with them:
566   write s: (addr stream byte), u: (addr array byte)  # write u to s, abort if full
567   overflow?/eax: boolean <- try-write s: (addr stream byte), u: (addr array byte)
568   write-stream dest: (addr stream byte), src: (addr stream byte)
569   # bytes
570   append-byte s: (addr stream byte), var: int  # write lower byte of var
571   var/eax: byte <- read-byte s: (addr stream byte)
572   # 32-bit graphemes encoded in UTF-8
573   write-grapheme out: (addr stream byte), g: grapheme
574   g/eax: grapheme <- read-grapheme in: (addr stream byte)
577 You can check if a stream is empty or full:
580   var/eax: boolean <- stream-empty? s: (addr stream)
581   var/eax: boolean <- stream-full? s: (addr stream)
584 You can clear streams:
587   clear-stream f: (addr stream T)
590 You can also rewind them to reread their contents:
593   rewind-stream f: (addr stream T)
596 ## Compound types
598 Primitive types can be combined together using the `type` keyword. For
599 example:
602 type point {
603   x: int
604   y: int
608 Mu programs are sequences of just `fn` and `type` definitions.
610 Compound types can't include `addr` types for safety reasons (use `handle` instead,
611 which is described below). They also can't currently include `array`, `stream`
612 or `byte` types. Since arrays and streams carry their size with them, supporting
613 them in compound types complicates variable initialization. Instead of
614 defining them inline in a type definition, define a `handle` to them. Bytes
615 shouldn't be used for anything but UTF-8 strings.
617 To access within a compound type, use the `get` instruction. There are two
618 forms. You need either a variable of the type itself (say `T`) in memory, or a
619 variable of type `(addr T)` in a register.
622 var/reg: (addr T_f) <- get var/reg: (addr T), f
623 var/reg: (addr T_f) <- get var: T, f
626 The `f` here is the field name from the `type` definition, and its type `T_f`
627 must match the type of `f` in the `type` definition. For example, some legal
628 instructions for the definition of `point` above:
631 var a/eax: (addr int) <- get p, x
632 var a/eax: (addr int) <- get p, y
635 You can clear compound types using the `clear-object` function:
638 clear-object var: (addr T)
641 You can shallow-copy compound types using the `copy-object` function:
644 copy-object src: (addr T), dest: (addr T)