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602b51e52b84856df2590c2804a77f4192f98d6b
[sod] / src / codegen-proto.lisp
1 ;;; -*-lisp-*-
2 ;;;
3 ;;; Code generation protocol
4 ;;;
5 ;;; (c) 2009 Straylight/Edgeware
6 ;;;
7
8 ;;;----- Licensing notice ---------------------------------------------------
9 ;;;
10 ;;; This file is part of the Sensble Object Design, an object system for C.
11 ;;;
12 ;;; SOD is free software; you can redistribute it and/or modify
13 ;;; it under the terms of the GNU General Public License as published by
14 ;;; the Free Software Foundation; either version 2 of the License, or
15 ;;; (at your option) any later version.
16 ;;;
17 ;;; SOD is distributed in the hope that it will be useful,
18 ;;; but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
19 ;;; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the
20 ;;; GNU General Public License for more details.
21 ;;;
22 ;;; You should have received a copy of the GNU General Public License
23 ;;; along with SOD; if not, write to the Free Software Foundation,
24 ;;; Inc., 59 Temple Place - Suite 330, Boston, MA 02111-1307, USA.
25
26 (cl:in-package #:sod)
27
28 ;;;--------------------------------------------------------------------------
29 ;;; Temporary names.
30
31 ;; Protocol.
32
33 (export 'format-temporary-name)
34 (defgeneric format-temporary-name (var stream)
35   (:documentation
36    "Write the name of a temporary variable VAR to STREAM."))
37
38 (export 'var-in-use-p)
39 (defgeneric var-in-use-p (var)
40   (:documentation
41    "Answer whether VAR is currently being used.  See `with-temporary-var'.")
42   (:method (var)
43     "Non-temporary variables are always in use."
44     (declare (ignore var))
45     t))
46 (defgeneric (setf var-in-use-p) (value var)
47   (:documentation
48    "Record whether VAR is currently being used.  See `with-temporary-var'."))
49
50 ;; Root class.
51
52 (export 'temporary-name)
53 (defclass temporary-name ()
54   ((tag :initarg :tag :reader temp-tag))
55   (:documentation
56    "Base class for temporary variable and argument names."))
57
58 ;; Important variables.
59
60 (defparameter *temporary-index* 0
61   "Index for temporary name generation.
62
63    This is automatically reset to zero before the output functions are
64    invoked to write a file.  This way, we can ensure that the same output
65    file is always produced from the same input.")
66
67 (define-clear-the-decks reset-codegen-index
68   (setf *temporary-index* 0))
69
70 ;; Important temporary names.
71
72 (export '(*sod-ap* *sod-master-ap*))
73 (defparameter *sod-ap*
74   (make-instance 'temporary-name :tag "sod__ap"))
75 (defparameter *sod-master-ap*
76   (make-instance 'temporary-name :tag "sod__master_ap"))
77
78 ;;;--------------------------------------------------------------------------
79 ;;; Instructions.
80
81 ;; Classes.
82
83 (export 'inst)
84 (defclass inst () ()
85   (:documentation
86    "A base class for instructions.
87
88    An `instruction' is anything which might be useful to string into a code
89    generator.  Both statements and expressions can be represented by trees of
90    instructions.  The `definst' macro is a convenient way of defining new
91    instructions.
92
93    The only important protocol for instructions is output, which is achieved
94    by calling `print-object' with `*print-escape*' nil.
95
96    This doesn't really do very much, but it acts as a handy marker for
97    instruction subclasses."))
98
99 (export 'inst-metric)
100 (defgeneric inst-metric (inst)
101   (:documentation
102    "Returns a `metric' describing how complicated INST is.
103
104    The default metric of an inst node is simply 1; `inst' subclasses
105    generated by `definst' (q.v.) have an automatically generated method which
106    returns one plus the sum of the metrics of the node's children.
107
108    This isn't intended to be a particularly rigorous definition.  Its purpose
109    is to allow code generators to make decisions about inlining or calling
110    code fairly simply.")
111   (:method ((inst t))
112     (declare (ignore inst))
113     1)
114   (:method ((inst null))
115     (declare (ignore inst))
116     1)
117   (:method ((inst list))
118     (reduce #'+ inst :key #'inst-metric)))
119
120 ;; Instruction definition.
121
122 (export 'definst)
123 (defmacro definst (code (streamvar &key export) args &body body)
124   "Define an instruction type and describe how to output it.
125
126    An `inst' can represent any structured piece of output syntax: a
127    statement, expression or declaration, for example.  This macro defines the
128    following things:
129
130      * A class `CODE-inst' to represent the instruction.
131
132      * Instance slots named after the ARGS, with matching keyword initargs,
133        and `inst-ARG' readers.
134
135      * A constructor `make-CODE-inst' which accepts the ARGS (in order, not
136        with keywords) as arguments and returns a fresh instance.
137
138      * A print method, which prints a diagnostic dump if `*print-escape*' is
139        set, or invokes the BODY (with STREAMVAR bound to the output stream)
140        otherwise.  The BODY is expected to produce target code at this
141        point.
142
143    If EXPORT is non-nil, then export the `CODE-inst' and `make-CODE-inst'
144    symbols."
145
146   (let ((inst-var (gensym "INST"))
147         (class-name (symbolicate code '-inst))
148         (constructor-name (symbolicate 'make- code '-inst))
149         (keys (mapcar (lambda (arg) (intern (symbol-name arg) :keyword))
150                       args)))
151     `(progn
152        (defclass ,class-name (inst)
153          ,(mapcar (lambda (arg key)
154                     `(,arg :initarg ,key :reader ,(symbolicate 'inst- arg)))
155                   args keys))
156        (defun ,constructor-name (,@args)
157          (make-instance ',class-name ,@(mappend #'list keys args)))
158        (defmethod inst-metric ((,inst-var ,class-name))
159          (with-slots (,@args) ,inst-var
160            (+ 1 ,@(mapcar (lambda (arg) `(inst-metric ,arg)) args))))
161        (defmethod print-object ((,inst-var ,class-name) ,streamvar)
162          (with-slots (,@args) ,inst-var
163            (if *print-escape*
164                (print-unreadable-object (,inst-var ,streamvar :type t)
165                  (format stream "~@<~@{~S ~@_~S~^ ~_~}~:>"
166                          ,@(mappend #'list keys args)))
167                (progn ,@body))))
168        ,@(and export `((export '(,class-name ,constructor-name))))
169        ',code)))
170
171 ;; Important instruction classes.
172
173 (definst var (stream :export t) (name type init)
174   (pprint-c-type type stream name)
175   (when init
176     (format stream " = ~A" init)))
177 (definst set (stream :export t) (var expr)
178   (format stream "~@<~A = ~@_~2I~A;~:>" var expr))
179 (definst update (stream :export t) (var op expr)
180   (format stream "~@<~A ~A= ~@_~2I~A;~:>" var op expr))
181 (definst return (stream :export t) (expr)
182   (format stream "return~@[ (~A)~];" expr))
183 (definst break (stream :export t) ()
184   (format stream "break;"))
185 (definst continue (stream :export t) ()
186   (format stream "continue;"))
187 (definst expr (stream :export t) (expr)
188   (format stream "~A;" expr))
189 (definst block (stream :export t) (decls body)
190   (format stream "{~:@_~@<  ~2I~@[~{~A;~:@_~}~:@_~]~{~A~^~:@_~}~:>~:@_}"
191           decls body))
192 (definst function (stream :export t) (name type body)
193   (pprint-logical-block (stream nil)
194     (princ "static " stream)
195     (pprint-c-type type stream name)
196     (format stream "~:@_~A~:@_~:@_" body)))
197
198 ;; Formatting utilities.
199
200 (defun format-compound-statement* (stream child morep thunk)
201   "Underlying function for `format-compound-statement'."
202   (cond ((typep child 'block-inst)
203          (funcall thunk stream)
204          (write-char #\space stream)
205          (princ child stream)
206          (when morep (write-char #\space stream)))
207         (t
208          (pprint-logical-block (stream nil)
209            (funcall thunk stream)
210            (write-char #\space stream)
211            (pprint-indent :block 2 stream)
212            (pprint-newline :linear stream)
213            (princ child stream)
214            (pprint-indent :block 0 stream)
215            (case morep
216              (:space
217               (write-char #\space stream)
218               (pprint-newline :linear stream))
219              ((t)
220               (pprint-newline :mandatory stream)))))))
221
222 (export 'format-compound-statement)
223 (defmacro format-compound-statement
224     ((stream child &optional morep) &body body)
225   "Format a compound statement to STREAM.
226
227    The introductory material is printed by BODY.  The CHILD is formatted
228    properly according to whether it's a `block-inst'.  If MOREP is true, then
229    allow for more stuff following the child."
230   `(format-compound-statement* ,stream ,child ,morep
231                                (lambda (,stream) ,@body)))
232
233 ;;;--------------------------------------------------------------------------
234 ;;; Code generation.
235
236 ;; Accessors.
237
238 (export 'codegen-functions)
239 (defgeneric codegen-functions (codegen)
240   (:documentation
241    "Return the list of `function-inst's of completed functions."))
242
243 (export 'ensure-var)
244 (defgeneric ensure-var (codegen name type &optional init)
245   (:documentation
246    "Add a variable to CODEGEN's list.
247
248    The variable is called NAME (which should be comparable using `equal' and
249    print to an identifier) and has the given TYPE.  If INIT is present and
250    non-nil it is an expression `inst' used to provide the variable with an
251    initial value."))
252
253 (export '(emit-inst emit-insts))
254 (defgeneric emit-inst (codegen inst)
255   (:documentation
256    "Add INST to the end of CODEGEN's list of instructions."))
257 (defgeneric emit-insts (codegen insts)
258   (:documentation
259    "Add a list of INSTS to the end of CODEGEN's list of instructions.")
260   (:method (codegen insts)
261     (dolist (inst insts) (emit-inst codegen inst))))
262
263 (export 'codegen-push)
264 (defgeneric codegen-push (codegen)
265   (:documentation
266    "Pushes the current code generation state onto a stack.
267
268    The state consists of the accumulated variables and instructions."))
269
270 (export 'codegen-pop)
271 (defgeneric codegen-pop (codegen)
272   (:documentation
273    "Pops a saved state off of the CODEGEN's stack.
274
275    Returns the newly accumulated variables and instructions as lists, as
276    separate values."))
277
278 (export 'codegen-add-function)
279 (defgeneric codegen-add-function (codegen function)
280   (:documentation
281    "Adds a function to CODEGEN's list.
282
283    Actually, we're not picky: FUNCTION can be any kind of object that you're
284    willing to find in the list returned by `codegen-functions'."))
285
286 (export 'temporary-var)
287 (defgeneric temporary-var (codegen type)
288   (:documentation
289    "Return the name of a temporary variable.
290
291    The temporary variable will have the given TYPE, and will be marked
292    in-use.  You should clear the in-use flag explicitly when you've finished
293    with the variable -- or, better, use `with-temporary-var' to do the
294    cleanup automatically."))
295
296 (export 'codegen-build-function)
297 (defun codegen-build-function (codegen name type vars insts)
298   "Build a function and add it to CODEGEN's list.
299
300    Returns the function's name."
301   (codegen-add-function codegen
302                         (make-function-inst name type
303                                             (make-block-inst vars insts)))
304   name)
305
306 (export 'codegen-pop-block)
307 (defgeneric codegen-pop-block (codegen)
308   (:documentation
309    "Makes a block (`block-inst') out of the completed code in CODEGEN.")
310   (:method (codegen)
311     (multiple-value-bind (vars insts) (codegen-pop codegen)
312       (make-block-inst vars insts))))
313
314 (export 'codegen-pop-function)
315 (defgeneric codegen-pop-function (codegen name type)
316   (:documentation
317    "Makes a function out of the completed code in CODEGEN.
318
319    The NAME can be any object you like.  The TYPE should be a function type
320    object which includes argument names.  The return value is the NAME.")
321   (:method (codegen name type)
322     (multiple-value-bind (vars insts) (codegen-pop codegen)
323       (codegen-build-function codegen name type vars insts))))
324
325 (export 'with-temporary-var)
326 (defmacro with-temporary-var ((codegen var type) &body body)
327   "Evaluate BODY with VAR bound to a temporary variable name.
328
329    During BODY, VAR will be marked in-use; when BODY ends, VAR will be marked
330    available for re-use."
331   `(let ((,var (temporary-var ,codegen ,type)))
332      (unwind-protect
333           (progn ,@body)
334        (setf (var-in-use-p ,var) nil))))
335
336 ;;;--------------------------------------------------------------------------
337 ;;; Code generation idioms.
338
339 (export 'deliver-expr)
340 (defun deliver-expr (codegen target expr)
341   "Emit code to deliver the value of EXPR to the TARGET.
342
343    The TARGET may be one of the following.
344
345      * `:void', indicating that the value is to be discarded.  The expression
346        will still be evaluated.
347
348      * `:void-return', indicating that the value is to be discarded (as for
349        `:void') and furthermore a `return' from the current function should
350        be forced after computing the value.
351
352      * `:return', indicating that the value is to be returned from the
353        current function.
354
355      * A variable name, indicating that the value is to be stored in the
356        variable.
357
358    In the cases of `:return', `:void' and `:void-return' targets, it is valid
359    for EXPR to be nil; this signifies that no computation needs to be
360    performed.  Variable-name targets require an expression."
361
362   (case target
363     (:return (emit-inst codegen (make-return-inst expr)))
364     (:void (when expr (emit-inst codegen (make-expr-inst expr))))
365     (:void-return (when expr (emit-inst codegen (make-expr-inst expr)))
366                   (emit-inst codegen (make-return-inst nil)))
367     (t (emit-inst codegen (make-set-inst target expr)))))
368
369 (export 'convert-stmts)
370 (defun convert-stmts (codegen target type func)
371   "Invoke FUNC to deliver a value to a non-`:return' target.
372
373    FUNC is a function which accepts a single argument, a non-`:return'
374    target, and generates statements which deliver a value (see
375    `deliver-expr') of the specified TYPE to this target.  In general, the
376    generated code will have the form
377
378      setup instructions...
379      (deliver-expr CODEGEN TARGET (compute value...))
380      cleanup instructions...
381
382    where the cleanup instructions are essential to the proper working of the
383    generated program.
384
385    The `convert-stmts' function will call FUNC to generate code, and arrange
386    that its value is correctly delivered to TARGET, regardless of what the
387    TARGET is -- i.e., it lifts the restriction to non-`:return' targets.  It
388    does this by inventing a new temporary variable."
389
390   (case target
391     (:return (with-temporary-var (codegen var type)
392                (funcall func var)
393                (deliver-expr codegen target var)))
394     (:void-return (funcall func :void)
395                   (emit-inst codegen (make-return-inst nil)))
396     (t (funcall func target))))
397
398 ;;;----- That's all, folks --------------------------------------------------