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doc/clang.tex: Improve documentation of C type spec expansion.
[sod] / doc / clang.tex
1 %%% -*-latex-*-
2 %%%
3 %%% C language utilities
4 %%%
5 %%% (c) 2015 Straylight/Edgeware
6 %%%
7
8 %%%----- Licensing notice ---------------------------------------------------
9 %%%
10 %%% This file is part of the Sensible 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
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18 %%% but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
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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 \chapter{C language utilities} \label{ch:clang}
27
28 %%%--------------------------------------------------------------------------
29 \section{C type representation} \label{sec:clang.c-types}
30
31 \subsection{Overview} \label{sec:clang.c-types.over}
32
33 The Sod translator represents C types in a fairly simple and direct way.
34 However, because it spends a fair amount of its time dealing with C types, it
35 provides a number of useful operations and macros.
36
37 The class hierarchy is shown in~\xref{fig:codegen.c-types.classes}.
38
39 \begin{figure} \centering
40   \parbox{10pt}{\begin{tabbing}
41     @|c-type| \\ \ind
42       @|qualifiable-c-type| \\ \ind
43         @|simple-c-type| \\ \ind
44           @|c-class-type| \- \\
45         @|tagged-c-type| \\ \ind
46           @|c-struct-type| \\
47           @|c-union-type| \\
48           @|c-enum-type| \- \\
49         @|c-pointer-type| \- \\
50       @|c-array-type| \\
51       @|c-function-type|
52   \end{tabbing}}
53   \caption{Classes representing C types}
54 \label{fig:codegen.c-types.classes}
55 \end{figure}
56
57 C type objects are immutable unless otherwise specified.
58
59 \subsubsection{Constructing C type objects}
60 There is a constructor function for each non-abstract class of C type object.
61 Note, however, that constructor functions need not generate a fresh type
62 object if a previously existing type object is suitable.  In this case, we
63 say that the objects are \emph{interned}.  Some constructor functions are
64 specified to return interned objects: programs may rely on receiving the same
65 (@|eq|) type object for similar (possibly merely @|equal|) arguments.  Where
66 not specified, clients may still not rely on receiving fresh objects.
67
68 A convenient S-expression notation is provided by the
69 \descref{c-type}[macro]{mac}.  Use of this macro is merely an abbreviation
70 for corresponding use of the various constructor functions, and therefore
71 interns type objects in the same manner.  The syntax accepted by the macro
72 can be extended in order to support new classes: see \descref{defctype}{mac},
73 \descref{c-type-alias}{mac} and \descref{define-c-type-syntax}{mac}.
74
75 The descriptions of each of the various classes include descriptions of the
76 initargs which may be passed to @|make-instance| when constructing a new
77 instance of the class.  However, the constructor functions and S-expression
78 syntax are strongly recommended over direct use of @|make-instance|.
79
80 \subsubsection{Printing}
81 There are two protocols for printing C types.  Unfortunately they have
82 similar names.
83 \begin{itemize}
84 \item The \descref{print-c-type}[function]{gf} prints a C type value using
85   the S-expression notation.  It is mainly useful for diagnostic purposes.
86 \item The \descref{pprint-c-type}[function]{gf} prints a C type as a
87   C-syntax declaration.
88 \end{itemize}
89 Neither generic function defines a default primary method; subclasses of
90 @|c-type| must define their own methods in order to print correctly.
91
92
93 \subsection{The C type root class} \label{sec:clang.c-types.root}
94
95 \begin{describe}{cls}{c-type ()}
96   The class @|c-type| marks the root of the built-in C type hierarchy.
97
98   Users may define subclasses of @|c-type|.  All non-abstract subclasses must
99   have a primary method defined on @|pprint-c-type|; unless instances of the
100   subclass are interned, a method on @|c-type-equal-p| is also required.
101
102   The class @|c-type| is abstract.
103 \end{describe}
104
105
106 \subsection{C type S-expression notation} \label{sec:clang.c-types.sexp}
107
108 The S-expression representation of a type is described syntactically as a
109 type specifier.  Type specifiers fit into two syntactic categories.
110 \begin{itemize}
111 \item A \emph{symbolic type specifier} consists of a symbol.  It has a
112   single, fixed meaning: if @<name> is a symbolic type specifier, then each
113   use of @<name> in a type specifier evaluates to the same (@|eq|) type
114   object, until the @<name> is redefined.
115 \item A \emph{type operator} is a symbol; the corresponding specifier is a
116   list whose @|car| is the operator.  The remaining items in the list are
117   arguments to the type operator.
118 \end{itemize}
119
120 \begin{describe}{mac}{c-type @<type-spec> @> @<c-type>}
121   Evaluates to a C type object, as described by the type specifier
122   @<type-spec>.
123 \end{describe}
124
125 \begin{describe}{mac}
126     {defctype \=@{ @<name> @! (@<name>^+) @} @<type-spec> \+ \\
127                 @[[ @|:export| @<export-flag> @]]^* \-
128        \nlret @<names>}
129   Defines a new symbolic type specifier @<name>; if a list of @<name>s is
130   given, then all are defined in the same way.  The type constructed by using
131   any of the @<name>s is as described by the type specifier @<type-spec>.
132
133   The resulting type object is constructed once, at the time that the macro
134   expansion is evaluated; the same (@|eq|) value is used each time any
135   @<name> is used in a type specifier.
136
137   A variable named @|c-type-@<name>|, for the first @<name> only, is defined
138   and initialized to contain the C type object so constructed.  Altering or
139   binding this name is discouraged.
140
141   If @<export-flag> is true, then the variable name, and all of the @<name>s,
142   are exported from the current package.
143 \end{describe}
144
145 \begin{describe}{mac}{c-type-alias @<original> @<alias>^* @> @<aliases>}
146   Defines each @<alias> as being a type operator identical in behaviour to
147   @<original>.  If @<original> is later redefined then the behaviour of the
148   @<alias>es changes too.
149 \end{describe}
150
151 \begin{describe}{mac}
152     {define-c-type-syntax @<name> @<lambda-list> \\ \ind
153       @[[ @<declaration>^* @! @<doc-string> @]] \\
154       @<form>^* \-
155      \nlret @<name>}
156   Defines the symbol @<name> as a new type operator.  When a list of the form
157   @|(@<name> @<argument>^*)| is used as a type specifier, the @<argument>s
158   are bound to fresh variables according to @<lambda-list> (a destructuring
159   lambda-list) and the @<form>s evaluated in order in the resulting lexical
160   environment as an implicit @|progn|.  The value should be a Lisp form which
161   will evaluate to the type specified by the arguments.
162
163   The @<form>s may call @|expand-c-type-spec| in order to recursively expand
164   type specifiers among its arguments.
165 \end{describe}
166
167 \begin{describe}{gf}{expand-c-type-spec @<type-spec> @> @<form>}
168   Returns the Lisp form that @|(c-type @<type-spec>)| would expand into.
169
170   If @<type-spec> is a list, then \descref{expand-c-type-form}{fun} is
171   invoked.
172 \end{describe}
173
174 \begin{describe}{gf}{expand-c-type-form @<head> @<tail> @> @<form>}
175   Returns the Lisp form that @|(c-type (@<head> . @<tail>)| would expand
176   into.
177 \end{describe}
178
179 \begin{describe}{gf}
180     {print-c-type @<stream> @<type> \&optional @<colon> @<atsign>}
181   Print the C type object @<type> to @<stream> in S-expression form.  The
182   @<colon> and @<atsign> arguments may be interpreted in any way which seems
183   appropriate: they are provided so that @|print-c-type| may be called via
184   @|format|'s @|\char`\~/\dots/| command; they are not set when
185   @|print-c-type| is called by Sod functions.
186
187   There should be a method defined for every C type class; there is no
188   default method.
189 \end{describe}
190
191
192 \subsection{Comparing C types} \label{sec:clang.c-types.cmp}
193
194 It is necessary to compare C types for equality, for example when checking
195 argument lists for methods.  This is done by @|c-type-equal-p|.
196
197 \begin{describe}{gf}
198     {c-type-equal-p @<c-type>_1 @<c-type>_2 @> @<generalized-boolean>}
199   The generic function @|c-type-equal-p| compares two C types @<c-type>_1 and
200   @<c-type>_2 for equality; it returns true if the two types are equal and
201   false if they are not.
202
203   Two types are equal if they are structurally similar, where this property
204   is defined by methods for each individual class; see the descriptions of
205   the classes for the details.
206
207   The generic function @|c-type-equal-p| uses the @|and| method combination.
208
209   \begin{describe}{meth}{c-type-equal-p @<c-type>_1 @<c-type>_2}
210     A default primary method for @|c-type-equal-p| is defined.  It simply
211     returns @|nil|.  This way, methods can specialize on both arguments
212     without fear that a call will fail because no methods are applicable.
213   \end{describe}
214   \begin{describe}{ar-meth}{c-type-equal-p @<c-type>_1 @<c-type>_2}
215     A default around-method for @|c-type-equal-p| is defined.  It returns
216     true if @<c-type>_1 and @<c-type>_2 are @|eql|; otherwise it delegates to
217     the primary methods.  Since several common kinds of C types are interned,
218     this is a common case worth optimizing.
219   \end{describe}
220 \end{describe}
221
222
223 \subsection{Outputting C types} \label{sec:clang.c-types.output}
224
225 \begin{describe}{gf}{pprint-c-type @<c-type> @<stream> @<kernel>}
226   The generic function @|pprint-c-type| pretty-prints to @<stream> a C-syntax
227   declaration of an object or function of type @<c-type>.  The result is
228   written to @<stream>.
229
230   A C declaration has two parts: a sequence of \emph{declaration specifiers}
231   and a \emph{declarator}.  The declarator syntax involves parentheses and
232   operators, in order to reflect the operators applicable to the declared
233   variable.  For example, the name of a pointer variable is preceded by @`*';
234   the name of an array is followed by dimensions enclosed in @`['\dots @`]'.
235
236   The @<kernel> argument must be a function designator (though see the
237   standard around-method); it is invoked as
238   \begin{quote} \codeface
239     (funcall @<kernel> @<stream> @<priority> @<spacep>)
240   \end{quote}
241   It should write to @<stream> -- which may not be the same stream originally
242   passed into the generic function -- the `kernel' of the declarator, i.e.,
243   the part to which prefix and/or postfix operators are attached to form the
244   full declarator.
245
246   The methods on @|pprint-c-type| specialized for compound types work by
247   recursively calling @|pprint-c-type| on the subtype, passing down a closure
248   which prints the necessary additional declarator operators before calling
249   the original @<kernel> function.  The additional arguments @<priority> and
250   @<spacep> support this implementation technique.
251
252   The @<priority> argument describes the surrounding operator context.  It is
253   zero if no type operators are directly attached to the kernel (i.e., there
254   are no operators at all, or the kernel is enclosed in parentheses), one if
255   a prefix operator is directly attached, or two if a postfix operator is
256   directly attached.  If the @<kernel> function intends to provide its own
257   additional declarator operators, it should check the @<priority> in order
258   to determine whether parentheses are necessary.  See also the
259   \descref{maybe-in-parens}[macro]{mac}.
260
261   The @<spacep> argument indicates whether a space needs to be printed in
262   order to separate the declarator from the declaration specifiers.  A kernel
263   which contains an identifier should insert a space before the identifier
264   when @<spacep> is non-nil.  An `empty' kernel, as found in an abstract
265   declarator (one that specifies no name), looks more pleasing without a
266   trailing space.  See also the \descref{c-type-space}[function]{fun}.
267
268   Every concrete subclass of @|c-type| is expected to provide a primary
269   method on this function.  There is no default primary method.
270
271   \begin{describe}{ar-meth}{pprint-c-type @<c-type> @<stream> @<kernel>}
272     A default around method is defined on @|pprint-c-type| which `canonifies'
273     non-function @<kernel> arguments.  In particular:
274     \begin{itemize}
275     \item if @<kernel> is nil, then @|pprint-c-type| is called recursively
276       with a @<kernel> function that does nothing; and
277     \item if @<kernel> is any other kind of object, then @|pprint-c-type| is
278       called recursively with a @<kernel> function that prints the object as
279       if by @|princ|, preceded if necessary by space using @|c-type-space|.
280     \end{itemize}
281   \end{describe}
282 \end{describe}
283
284 \begin{describe}{fun}{c-type-space @<stream>}
285   Writes a space and other pretty-printing instructions to @<stream> in order
286   visually to separate a declarator from the preceding declaration
287   specifiers.  The precise details are subject to change.
288 \end{describe}
289
290 \begin{describe}{mac}
291     {maybe-in-parens (@<stream-var> @<guard-form>)
292       @<declaration>^*
293       @<form>^*}
294   The @<guard-form> is evaluated, and then the @<form>s are evaluated in
295   sequence within a pretty-printer logical block writing to the stream named
296   by the symbol @<stream-var>.  If the @<guard-form> evaluates to nil, then
297   the logical block has empty prefix and suffix strings; if it evaluates to a
298   non-nil value, then the logical block has prefix and suffix @`(' and @`)'
299   respectively.
300
301   Note that this may cause @<stream> to be bound to a different stream object
302   within the @<form>s.
303 \end{describe}
304
305
306 \subsection{Type qualifiers and qualifiable types}
307 \label{sec:clang.ctypes.qual}
308
309 \begin{describe}{cls}{qualifiable-c-type (c-type) \&key :qualifiers}
310   The class @|qualifiable-c-type| describes C types which can bear
311   `qualifiers' (\Cplusplus\ calls them `cv-qualifiers'): @|const|,
312   @|restrict| and @|volatile|.
313
314   The @<qualifiers> are a list of keyword symbols @|:const|, @|:restrict| and
315   @|:volatile|.  There is no built-in limitation to these particular
316   qualifiers; others keywords may be used, though this isn't recommended.
317
318   Two qualifiable types are equal only if they have \emph{matching
319   qualifiers}: i.e., every qualifier attached to one is also attached to the
320   other: order is not significant, and neither is multiplicity.
321
322   The class @|qualifiable-c-type| is abstract.
323 \end{describe}
324
325 \begin{describe}{gf}{c-type-qualifiers @<c-type> @> @<list>}
326   Returns the qualifiers of the @|qualifiable-c-type| instance @<c-type> as
327   an immutable list.
328 \end{describe}
329
330 \begin{describe}{fun}{qualify-type @<c-type> @<qualifiers> @> @<c-type>}
331   The argument @<c-type> must be an instance of @|qualifiable-c-type|,
332   currently bearing no qualifiers, and @<qualifiers> a list of qualifier
333   keywords.  The result is a C type object like @<c-type> except that it
334   bears the given @<qualifiers>.
335
336   The @<c-type> is not modified.  If @<c-type> is interned, then the returned
337   type will be interned.
338 \end{describe}
339
340 \begin{describe}{fun}{format-qualifiers @<qualifiers> @> @<string>}
341   Returns a string containing the qualifiers listed in @<qualifiers> in C
342   syntax, with a space after each.  In particular, if @<qualifiers> is
343   non-null then the final character of the returned string will be a space.
344 \end{describe}
345
346
347 \subsection{Leaf types} \label{sec:clang.c-types.leaf}
348
349 A \emph{leaf type} is a type which is not defined in terms of another type.
350 In Sod, the leaf types are
351 \begin{itemize}
352 \item \emph{simple types}, including builtin types like @|int| and @|char|,
353   as well as type names introduced by @|typename|, because Sod isn't
354   interested in what the type name means, merely that it names a type; and
355 \item \emph{tagged types}, i.e., enum, struct and union types which are named
356   by a keyword identifying the kind of type, and a \emph{tag}.
357 \end{itemize}
358
359 \begin{describe}{cls}{simple-c-type (qualifiable-c-type)
360     \&key :qualifiers :name}
361   The class of `simple types'; an instance denotes the type @<qualifiers>
362   @<name>.
363
364   A simple type object maintains a \emph{name}, which is a string whose
365   contents are the C name for the type.  The initarg @|:name| may be used to
366   provide this name when calling @|make-instance|.
367
368   Two simple type objects are equal if and only if they have @|string=| names
369   and matching qualifiers.
370
371   A number of symbolic type specifiers for builtin types are predefined as
372   shown in \xref{tab:codegen.c-types.simple}.  These are all defined as if by
373   @|define-simple-c-type|, so can be used to construct qualified types.
374 \end{describe}
375
376 \begin{table}
377   \begin{tabular}[C]{ll}                                           \hlx*{hv}
378     \thd{C type}        & \thd{Specifiers}                      \\ \hlx{vhv}
379     @|void|             & @|void|                               \\ \hlx{v}
380     @|_Bool|            & @|bool|                               \\ \hlx{v}
381     @|char|             & @|char|                               \\ \hlx{}
382     @|wchar_t|          & @|wchar-t|                            \\ \hlx{v}
383     @|signed char|      & @|signed-char|, @|schar|              \\ \hlx{}
384     @|unsigned char|    & @|unsigned-char|, @|uchar|            \\ \hlx{v}
385     @|short|            & @|short|, @|signed-short|, @|short-int|,
386                           @|signed-short-int| @|sshort|         \\ \hlx{}
387     @|unsigned short|   & @|unsigned-short|, @|unsigned-short-int|,
388                           @|ushort|                             \\ \hlx{v}
389     @|int|              & @|int|, @|signed|, @|signed-int|,
390                           @|sint|                               \\ \hlx{}
391     @|unsigned int|     & @|unsigned|, @|unsigned-int|, @|uint| \\ \hlx{v}
392     @|long|             & @|long|, @|signed-long|, @|long-int|,
393                           @|signed-long-int|, @|slong|          \\ \hlx{}
394     @|unsigned long|    & @|unsigned-long|, @|unsigned-long-int|,
395                           @|ulong|                              \\ \hlx{v}
396     @|long long|        & @|long-long|, @|signed-long-long|,
397                           @|long-long-int|,                     \\ \hlx{}
398                         & \qquad @|signed-long-long-int|,
399                           @|llong|, @|sllong|                   \\ \hlx{v}
400     @|unsigned long long|
401                         & @|unsigned-long-long|, @|unsigned-long-long-int|,
402                           @|ullong|                             \\ \hlx{v}
403     @|size_t|           & @|size-t|                             \\ \hlx{}
404     @|ptrdiff_t|        & @|ptrdiff-t|                          \\ \hlx{v}
405     @|float|            & @|float|                              \\ \hlx{}
406     @|double|           & @|double|                             \\ \hlx{}
407     @|long double|      & @|long-double|                        \\ \hlx{v}
408     @|float _Imaginary| & @|float-imaginary|                    \\ \hlx{}
409     @|double _Imaginary|& @|double-imaginary|                   \\ \hlx{}
410     @|long double _Imaginary|
411                         & @|long-double-imaginary|              \\ \hlx{v}
412     @|float _Complex|   & @|float-complex|                      \\ \hlx{}
413     @|double _Complex|  & @|double-complex|                     \\ \hlx{}
414     @|long double _Complex|
415                         & @|long-double-complex|                \\ \hlx{v}
416     @|va_list|          & @|va-list|                            \\ \hlx*{vh}
417   \end{tabular}
418   \caption{Builtin symbolic type specifiers for simple C types}
419   \label{tab:codegen.c-types.simple}
420 \end{table}
421
422 \begin{describe}{fun}
423     {make-simple-type @<name> \&optional @<qualifiers> @> @<c-type>}
424   Return the (unique interned) simple C type object for the C type whose name
425   is @<name> (a string) and which has the given @<qualifiers> (a list of
426   keywords).
427 \end{describe}
428
429 \begin{describe}{gf}{c-type-name @<c-type> @> @<string>}
430   Returns the name of a @|simple-c-type| instance @<c-type> as an immutable
431   string.
432 \end{describe}
433
434 \begin{describe}{mac}
435     {define-simple-c-type \=@{ @<name> @! (@<name>^+) @} @<string> \+ \\
436                             @[[ @|:export| @<export-flag> @]] \-
437       \nlret @<name>}
438   Define type specifiers for a new simple C type.  Each symbol @<name> is
439   defined as a symbolic type specifier for the (unique interned) simple C
440   type whose name is the value of @<string>.  Further, each @<name> is
441   defined to be a type operator: the type specifier @|(@<name>
442   @<qualifier>^*)| evaluates to the (unique interned) simple C type whose
443   name is @<string> and which has the @<qualifiers> (which are evaluated).
444
445   Furthermore, a variable @|c-type-@<name>| is defined, for the first @<name>
446   only, and initialized with the newly constructed C type object.
447
448   If @<export-flag> is true, then the @|c-type-@<name>| variable name, and
449   all of the @<name>s, are exported from the current package.
450 \end{describe}
451
452 \begin{describe}{cls}{tagged-c-type (qualifiable-c-type)
453     \&key :qualifiers :tag}
454   Provides common behaviour for C tagged types.  A @<tag> is a string
455   containing a C identifier.
456
457   Two tagged types are equal if and only if they have the same class, their
458   @<tag>s are @|string=|, and they have matching qualifiers.  (User-defined
459   subclasses may have additional methods on @|c-type-equal-p| which impose
460   further restrictions.)
461 \end{describe}
462 \begin{boxy}[Bug]
463   Sod maintains distinct namespaces for the three kinds of tagged types.  In
464   C, there is only one namespace for tags which is shared between enums,
465   structs and unions.
466 \end{boxy}
467
468 \begin{describe}{gf}{c-tagged-type-kind @<c-type> @> @<keyword>}
469   Returns a keyword classifying the tagged @<c-type>: one of @|:enum|,
470   @|:struct| or @|:union|.  User-defined subclasses of @|tagged-c-type|
471   should return their own classification symbols.  It is intended that
472   @|(string-downcase (c-tagged-type-kind @<c-type>))| be valid C
473   syntax.\footnote{%
474     Alas, C doesn't provide a syntactic category for these keywords;
475     \Cplusplus\ calls them a @<class-key>.} %
476   There is a method defined for each of the built-in tagged type classes
477   @|c-struct-type|, @|c-union-type| and @|c-enum-type|.
478 \end{describe}
479
480 \begin{describe}{gf}{kind-c-tagged-type @<keyword> @> @<symbol>}
481   This is not quite the inverse of @|c-tagged-type-kind|.  Given a keyword
482   naming a kind of tagged type, return the name of the corresponding C
483   type class as a symbol.
484 \end{describe}
485
486 \begin{describe}{cls}{c-enum-type (tagged-c-type) \&key :qualifiers :tag}
487   Represents a C enumerated type.  An instance denotes the C type @|enum|
488   @<tag>.  See the direct superclass @|tagged-c-type| for details.
489
490   The type specifier @|(enum @<tag> @<qualifier>^*)| returns the (unique
491   interned) enumerated type with the given @<tag> and @<qualifier>s (all
492   evaluated).
493 \end{describe}
494 \begin{describe}{fun}
495     {make-enum-type @<tag> \&optional @<qualifiers> @> @<c-enum-type>}
496   Return the (unique interned) C type object for the enumerated C type whose
497   tag is @<tag> (a string) and which has the given @<qualifiers> (a list of
498   keywords).
499 \end{describe}
500
501 \begin{describe}{cls}{c-struct-type (tagged-c-type) \&key :qualifiers :tag}
502   Represents a C structured type.  An instance denotes the C type @|struct|
503   @<tag>.  See the direct superclass @|tagged-c-type| for details.
504
505   The type specifier @|(struct @<tag> @<qualifier>^*)| returns the (unique
506   interned) structured type with the given @<tag> and @<qualifier>s (all
507   evaluated).
508 \end{describe}
509 \begin{describe}{fun}
510     {make-struct-type @<tag> \&optional @<qualifiers> @> @<c-struct-type>}
511   Return the (unique interned) C type object for the structured C type whose
512   tag is @<tag> (a string) and which has the given @<qualifiers> (a list of
513   keywords).
514 \end{describe}
515
516 \begin{describe}{cls}{c-union-type (tagged-c-type) \&key :qualifiers :tag}
517   Represents a C union type.  An instance denotes the C type @|union|
518   @<tag>.  See the direct superclass @|tagged-c-type|
519   for details.
520
521   The type specifier @|(union @<tag> @<qualifier>^*)| returns the (unique
522   interned) union type with the given @<tag> and @<qualifier>s (all
523   evaluated).
524 \end{describe}
525 \begin{describe}{fun}
526     {make-union-type @<tag> \&optional @<qualifiers> @> @<c-union-type>}
527   Return the (unique interned) C type object for the union C type whose tag
528   is @<tag> (a string) and which has the given @<qualifiers> (a list of
529   keywords).
530 \end{describe}
531
532
533 \subsection{Compound C types} \label{sec:code.c-types.compound}
534
535 Some C types are \emph{compound types}: they're defined in terms of existing
536 types.  The classes which represent compound types implement a common
537 protocol.
538
539 \begin{describe}{gf}{c-type-subtype @<c-type> @> @<subtype>}
540   Returns the underlying type of a compound type @<c-type>.  Precisely what
541   this means depends on the class of @<c-type>.
542 \end{describe}
543
544
545 \subsection{Pointer types} \label{sec:clang.c-types.pointer}
546
547 Pointers are compound types.  The subtype of a pointer type is the type it
548 points to.
549
550 \begin{describe}{cls}
551     {c-pointer-type (qualifiable-c-type) \&key :qualifiers :subtype}
552   Represents a C pointer type.  An instance denotes the C type @<subtype>
553   @|*|@<qualifiers>.
554
555   The @<subtype> may be any C type.  Two pointer types are equal if and only
556   if their subtypes are equal and they have matching qualifiers.
557
558   The type specifier @|(* @<type-spec> @<qualifier>^*)| returns a type
559   qualified pointer-to-@<subtype>, where @<subtype> is the type specified by
560   @<type-spec> and the @<qualifier>s are qualifier keywords (which are
561   evaluated).  The synonyms @|ptr| and @|pointer| may be used in place of the
562   star @`*'.
563
564   The symbol @|string| is a type specifier for the type pointer to
565   characters; the symbol @|const-string| is a type specifier for the type
566   pointer to constant characters.
567 \end{describe}
568
569 \begin{describe}{fun}
570     {make-pointer-type @<c-type> \&optional @<qualifiers>
571       @> @<c-pointer-type>}
572   Return an object describing the type qualified pointer to @<subtype>.
573   If @<subtype> is interned, then the returned pointer type object is
574   interned also.
575 \end{describe}
576
577
578 \subsection{Array types} \label{sec:clang.c-types.array}
579
580 Arrays implement the compound-type protocol.  The subtype of an array type is
581 the array element type.
582
583 \begin{describe}{cls}{c-array-type (c-type) \&key :subtype :dimensions}
584   Represents a multidimensional C array type.  The @<dimensions> are a list
585   of dimension specifiers $d_0$, $d_1$, \ldots, $d_{n-1}$; an instance then
586   denotes the C type @<subtype> @|[$d_0$][$d_1$]$\ldots$[$d_{n-1}$]|.  An
587   individual dimension specifier is either a string containing a C integral
588   constant expression, or nil which is equivalent to an empty string.  Only
589   the first (outermost) dimension $d_0$ should be empty.
590
591   C doesn't actually have multidimensional arrays as a primitive notion;
592   rather, it permits an array (with known extent) to be the element type of
593   an array, which achieves an equivalent effect.  C arrays are stored in
594   row-major order: i.e., if we write down the indices of the elements of an
595   array in order of ascending address, the rightmost index varies fastest;
596   hence, the type constructed is more accurately an array of $d_0$ arrays of
597   $d_1$ of \ldots\ arrays of $d_{n-1}$ elements of type @<subtype>.  We shall
598   continue to abuse terminology and refer to multidimensional arrays.
599
600   The type specifier @|([] @<type-spec> @<dimension>^*)| constructs a
601   multidimensional array with the given @<dimension>s whose elements have the
602   type specified by @<type-spec>.  If no dimensions are given then a
603   single-dimensional array with unspecified extent.  The synonyms @|array|
604   and @|vector| may be used in place of the brackets @`[]'.
605 \end{describe}
606
607 \begin{describe}{fun}
608     {make-array-type @<subtype> @<dimensions> @> @<c-array-type>}
609   Return an object describing the type of arrays with given @<dimensions> and
610   with element type @<subtype> (an instance of @|c-type|).  The @<dimensions>
611   argument is a list whose elements are strings or nil; see the description
612   of the class @|c-array-type| above for details.
613 \end{describe}
614
615 \begin{describe}{gf}{c-array-dimensions @<c-type> @> @<list>}
616   Returns the dimensions of @<c-type>, an array type, as an immutable list.
617 \end{describe}
618
619
620 \subsection{Function types} \label{sec:clang.c-types.fun}
621
622 Function types implement the compound-type protocol.  The subtype of a
623 function type is the type of the function's return value.
624
625 \begin{describe}{cls}{argument}
626   Represents an ordinary function argument.
627 \end{describe}
628
629 \begin{describe}{fun}{argumentp @<value> @> @<generalized-boolean>}
630   Decide whether @<value> is an @<argument> object: if so, return non-nil; if
631   not return nil.
632 \end{describe}
633
634 \begin{describe}{fun}{make-argument @<name> @<c-type> @> @<argument>}
635   Construct and a return a new @<argument> object.  The argument has type
636   @<c-type>, which must be a @|c-type| object, and is named @<name>.
637
638   The @<name> may be nil to indicate that the argument has no name: in this
639   case the argument will be formatted as an abstract declarator, which is not
640   suitable for function definitions.  If @<name> is not nil, then the
641   @<name>'s print representation, with @|*print-escape*| nil, is used as the
642   argument name.
643 \end{describe}
644
645 \begin{describe*}
646     {\dhead{fun}{argument-name @<argument> @> @<name>}
647      \dhead{fun}{argument-type @<argument> @> @<c-type>}}
648   Accessor functions for @|argument| objects.  They return the name (for
649   @|argument-name|) or type (for @|argument-type|) from the object, as passed
650   to @|make-argument|.
651 \end{describe*}
652
653 \begin{describe}{gf}
654     {commentify-argument-name @<name> @> @<commentified-name>}
655   Convert the argument name @<name> so that it's suitable to declare the
656   function in a header file.
657
658   Robust header files shouldn't include literal argument names in
659   declarations of functions or function types, since this restricts the
660   including file from defining such names as macros.  This generic function
661   is used to convert names into a safe form.
662
663   \begin{describe}{meth}{commentify-argument-name (@<name> null) @> nil}
664     Returns nil: if the argument name is already omitted, it's safe for use
665     in a header file.
666   \end{describe}
667   \begin{describe}{meth}{commentify-argument-name (@<name> t) @> @<string>}
668     Returns the print form of @<name> wrapped in a C comment, as
669     @`/*@<name>*/'.
670   \end{describe}
671 \end{describe}
672
673 \begin{describe}{fun}
674     {commentify-argument-names @<arguments> @> @<commentified-arguments>}
675   Convert the @<arguments> list so that it's suitable for use in a header
676   file.
677
678   The @<arguments> list should be a list whose items are @|argument| objects
679   or the keyword @|:ellipsis|.  The return value is a list constructed as
680   follows.  For each @|argument| object in the input list, there is a
681   corresponding @|argument| object in the returned list, with the same type,
682   and whose name is the result of @|commentify-argument-name| applied to the
683   input argument name; an @|:ellipsis| in the input list is passed through
684   unchanged.
685 \end{describe}
686
687 \begin{describe}{cls}{c-function-type (c-type) \&key :subtype :arguments}
688   Represents C function types.  An instance denotes the type of a C
689   function which accepts the @<arguments> and returns @<subtype>.
690
691   The @<arguments> are a possibly empty list.  All but the last element of
692   the list must be @|argument| objects; the final element may instead be the
693   keyword @|:ellipsis|, which denotes a variable argument list.
694
695   An @<arguments> list consisting of a single argument with type @|void| is
696   converted into an empty list.  On output as C code, an empty argument list
697   is written as @|void|.  It is not possible to represent a pre-ANSI C
698   function without prototypes.
699
700   Two function types are considered to be the same if their return types are
701   the same, and their argument lists consist of arguments with the same type,
702   in the same order, and either both or neither argument list ends with
703   @|:ellipsis|; argument names are not compared.
704
705   The type specifier
706   \begin{prog}
707     (fun @<return-type>
708          @{ (@<arg-name> @<arg-type>) @}^*
709          @[:ellipsis @! . @<form>@])
710   \end{prog}
711   constructs a function type.  The function has the subtype @<return-type>.
712   The remaining items in the type-specifier list are used to construct the
713   argument list.  The argument items are a possibly improper list, beginning
714   with zero or more \emph{explicit arguments}: two-item
715   @<arg-name>/@<arg-type> lists.  For each such list, an @|argument| object
716   is constructed with the given name (evaluated) and type.  Following the
717   explicit arguments, there may be
718   \begin{itemize}
719   \item nothing, in which case the function's argument list consists only of
720     the explicit arguments;
721   \item the keyword @|:ellipsis|, as the final item in the type-specifier
722     list, indicating a variable argument list may follow the explicit
723     arguments; or
724   \item a possibly-improper list tail, beginning with an atom either as a
725     list item or as the final list cdr, indicating that the entire list tail
726     is Lisp expression which is to be evaluated to compute the remaining
727     arguments.
728   \end{itemize}
729   A tail expression may return a list of @|argument| objects, optionally
730   followed by an @|:ellipsis|.
731
732   For example,
733   \begin{prog}
734     (c-type (fun \=(lisp (c-type-subtype other-func)) \+ \\
735                    ("first" int) . (c-function-arguments other-func))
736   \end{prog}
737   evaluates to a function type like @|other-func|, only with an additional
738   argument of type @|int| added to the front of its argument list.  This
739   could also have been written
740   \begin{prog}
741     (let (\=(args (c-function-arguments other-func)) \+ \\
742             (ret (c-type-subtype other-func))) \- \\ \ind
743       (c-type (fun \=(lisp ret) ("first" int) . args)
744   \end{prog}
745 \end{describe}
746
747 \begin{describe}{fun}
748     {make-function-type @<subtype> @<arguments> @> @<c-function-type>}
749   Construct and return a new function type, returning @<subtype> and
750   accepting the @<arguments>.
751 \end{describe}
752
753 \begin{describe}{gf}
754     {c-function-arguments @<c-function-type> @> @<arguments>}
755   Return the arguments list of the @<c-function-type>.
756 \end{describe}
757
758 \begin{describe}{fun}
759     {commentify-function-type @<c-function-type> @> @<commentified-c-type>}
760   Return a commentified version of the @<c-function-type>.
761
762   The returned type has the same subtype as the given type, and the argument
763   list of the returned type is the result of applying
764   @|commentify-argument-names| to the argument list of the given type.
765 \end{describe}
766
767
768 \subsection{Parsing C types} \label{sec:clang.c-types.parsing}
769
770 \begin{describe}{fun}
771     {parse-c-type @<scanner>
772       @> @<result> @<success-flag> @<consumed-flag>}
773 \end{describe}
774
775 \begin{describe}{fun}
776     {parse-declarator @<scanner> @<base-type> \&key :kernel :abstractp
777       \nlret @<result> @<success-flag> @<consumed-flag>}
778 \end{describe}
779
780
781 \subsection{Class types} \label{sec:clang.c-types.class}
782
783 \begin{describe}{cls}
784     {c-class-type (simple-c-type) \&key :class :tag :qualifiers :name}
785 \end{describe}
786
787 \begin{describe*}
788     {\dhead{gf}{c-type-class @<class-type> @> @<class>}
789      \dhead{gf}{setf (c-type-class @<class-type>) @<class>}}
790 \end{describe*}
791
792 \begin{describe}{fun}{find-class-type @<name> @> @<class-type-or-nil>}
793 \end{describe}
794
795 \begin{describe}{fun}
796     {make-class-type @<name> \&optional @<qualifiers> @> @<class-type>}
797 \end{describe}
798
799 \begin{describe}{fun}
800     {make-class-type @<name> \&optional @<qualifiers> @> @<class-type>}
801 \end{describe}
802
803 \begin{describe}{fun}{find-sod-class @<name> @> @<class>}
804 \end{describe}
805
806 \begin{describe}{fun}{record-sod-class @<class>}
807 \end{describe}
808
809 %%%--------------------------------------------------------------------------
810 \section{Generating C code} \label{sec:clang.codegen}
811
812 This section deals with Sod's facilities for constructing and manipulating C
813 expressions, declarations, instructions and definitions.
814
815
816 \subsection{Temporary names} \label{sec:clang.codegen.temporaries}
817
818 Many C-level objects, especially ones with external linkage or inclusion in a
819 header file, are assigned names which are simple strings, perhaps fixed ones,
820 perhaps constructed.  Other objects don't need meaningful names, and
821 suitably unique constructed names would be tedious and most likely rather
822 opaque.  Therefore Sod has an ability to construct \emph{temporary names}.
823
824 These aren't temporary in the sense that they name C objects which have
825 limited lifetimes at runtime.  Rather, the idea is that the names be
826 significant only to small pieces of Lisp code, which will soon forget about
827 them.
828
829 \subsubsection{The temporary name protocol}
830 Temporary names are represented by objects which implement a simple protocol.
831
832 \begin{describe}{gf}{format-temporary-name @<var> @<stream>}
833 \end{describe}
834
835 \begin{describe*}
836     {\dhead{gf}{var-in-use-p @<var> @> @<generalized-boolean>}
837      \dhead[setf var-in-use-p]
838        {gf}{setf (var-in-use-p @<var>) @<generalized-boolean>}}
839 \end{describe*}
840
841 \subsubsection{Temporary name objects}
842
843 \begin{describe}{cls}{temporary-name () \&key :tag}
844   A temporary name object.  This is the root of a small collection of
845   subclasses, but is also usable on its own.
846 \end{describe}
847
848 \begin{describe}{meth}
849     {commentify-argument-name (@<name> temporary-name) @> nil}
850 \end{describe}
851
852 \begin{table}
853   \begin{tabular}[C]{*2{>{\codeface}l}}                            \hlx*{hv}
854     \thd{\textbf{Class}} & \thd{\textbf{Name format}}           \\ \hlx{vhv}
855     temporary-name              & @<tag>                        \\
856     temporary-argument          & sod__a@<tag>                  \\
857     temporary-function          & sod__f@<tag>                  \\
858     temporary-variable          & sod__v@<tag>                  \\ \hlx*{vh}
859   \end{tabular}
860   \caption{Temporary name formats}
861   \label{tab:codegen.codegen.temps-format}
862 \end{table}
863
864 \begin{describe}{cls}{temporary-argument (temporary-name) \&key :tag}
865 \end{describe}
866
867 \begin{describe}{cls}{temporary-function (temporary-name) \&key :tag}
868 \end{describe}
869
870 \begin{describe}{fun}{temporary-function @> @<name>}
871 \end{describe}
872
873 \begin{describe}{cls}
874     {temporary-variable (temporary-name) \&key :tag :in-use-p}
875 \end{describe}
876
877 \subsubsection{Well-known `temporary' names}
878
879 \begin{table}
880   \begin{tabular}[C]{*2{>{\codeface}l}}                            \hlx*{hv}
881     \thd{\textbf{Variable}} & \thd{\textbf{Name format}}        \\ \hlx{vhv}
882     {}*sod-ap*                  & sod__ap                       \\
883     {}*sod-master-ap*           & sod__master_ap                \\
884     {}*null-pointer*            & NULL                          \\ \hlx*{vh}
885   \end{tabular}
886   \caption{Well-known temporary names}
887   \label{tab:codegen.codegen.well-known-temps}
888 \end{table}
889
890
891 \subsection{Instructions} \label{sec:clang.codegen.insts}
892
893 \begin{describe}{cls}{inst () \&key}
894 \end{describe}
895
896 \begin{describe}{gf}{inst-metric @<inst>}
897 \end{describe}
898
899 \begin{describe}{mac}
900     {definst @<code> (@<streamvar> \&key @<export>) (@<arg>^*) \\ \ind
901       @[[ @<declaration>^* @! @<doc-string> @]] \\
902       @<form>^* \-
903      \nlret @<code>}
904 \end{describe}
905
906 \begin{describe}{mac}
907     {format-compound-statement
908         (@<stream> @<child> \&optional @<morep>) \\ \ind
909       @<declaration>^* \\
910       @<form>^*}
911 \end{describe}
912
913 \begin{table}
914   \begin{tabular}[C]{ll>{\codeface}l}                              \hlx*{hv}
915     \thd{Class name} &
916     \thd{Arguments} &
917     \thd{Output format}                                         \\ \hlx{vhv}
918     @|var|      & @<name> @<type> @|\&optional| @<init>
919                                            & @<type> @<name> @[= @<init>@];
920                                                                 \\ \hlx{v}
921     @|set|      & @<var> @<expr>           & @<var> = @<expr>;  \\ \hlx{v}
922     @|update|   & @<var> @<op> @<expr>     & @<var> @<op>= @<expr>;
923                                                                 \\ \hlx{v}
924     @|return|   & @<expr>                  & return @[@<expr>@];
925                                                                 \\ \hlx{v}
926     @|break|    & ---                      & break;             \\ \hlx{v}
927     @|continue| & ---                      & continue;          \\ \hlx{v}
928     @|expr|     & @<expr>                  & @<expr>;           \\ \hlx{v}
929     @|call|     & @<func> @|\&rest| @<args>
930                                            & @<func>(@<arg>_1,
931                                                      $\ldots$,
932                                                      @<arg>_n)  \\ \hlx{vhv}
933     @|block|    & @<decls> @<body>         & \{ @[@<decls>@] @<body> \}
934                                                                 \\ \hlx{v}
935     @|if|       & @<cond> @<conseq> @|\&optional| @<alt>
936                                            & if (@<cond>) @<conseq>
937                                              @[else @<alt>@]    \\ \hlx{v}
938     @|while|    & @<cond> @<body>          & while (@<cond>) @<body>
939                                                                 \\ \hlx{v}
940     @|do-while| & @<body> @<cond>          & do @<body> while (@<cond>);
941                                                                 \\ \hlx{v}
942     @|function| & @<name> @<type> @<body>  &
943       \vtop{\hbox{\strut @<type>_0 @<name>(@<type>_1 @<arg>_1, $\ldots$,
944                                            @<type>_n @<arg>_n @[, \dots@])}
945             \hbox{\strut \quad @<body>}}                        \\ \hlx*{vh}
946   \end{tabular}
947   \caption{Instruction classes}
948   \label{tab:codegen.codegen.insts}
949 \end{table}
950
951
952 \subsection{Code generation} \label{sec:clang.codegen.codegen}
953
954 \begin{describe}{gf}{codegen-functions @<codegen> @> @<list>}
955 \end{describe}
956
957 \begin{describe}{gf}
958     {ensure-var @<codegen> @<name> @<type> \&optional @<init>}
959 \end{describe}
960
961 \begin{describe}{gf}{emit-inst @<codegen> @<inst>}
962 \end{describe}
963
964 \begin{describe}{gf}{emit-insts @<codegen> @<insts>}
965 \end{describe}
966
967 \begin{describe}{gf}{emit-decl @<codegen> @<decl>}
968 \end{describe}
969
970 \begin{describe}{gf}{emit-decls @<codegen> @<decls>}
971 \end{describe}
972
973 \begin{describe}{gf}{codegen-push @<codegen>}
974 \end{describe}
975
976 \begin{describe}{gf}{codegen-pop @<codegen> @> @<decls> @<insts>}
977 \end{describe}
978
979 \begin{describe}{gf}{codegen-pop-block @<codegen> @> @<block-inst>}
980 \end{describe}
981
982 \begin{describe}{gf}
983     {codegen-pop-function @<codegen> @<name> @<type> @> @<name>}
984 \end{describe}
985
986 \begin{describe}{gf}{codegen-add-function @<codegen> @<function>}
987 \end{describe}
988
989 \begin{describe}{fun}
990     {codegen-build-function @<codegen> @<name> @<type> @<vars> @<insts>
991       @> @<name>}
992 \end{describe}
993
994 \begin{describe}{gf}{temporary-var @<codegen> @<type> @> @<name>}
995 \end{describe}
996
997 \begin{describe}{mac}
998     {with-temporary-var (@<codegen> @<var> @<type>) \\ \ind
999       @<declaration>^* \\
1000       @<form>^* \-
1001      \nlret @<value>^*}
1002 \end{describe}
1003
1004 \begin{describe}{fun}{deliver-expr @<codegen> @<target> @<expr>}
1005 \end{describe}
1006
1007 \begin{describe}{fun}
1008     {deliver-call @<codegen> @<target> @<func> \&rest @<args>}
1009 \end{describe}
1010
1011 \begin{describe}{fun}{convert-stmts @<codegen> @<target> @<type> @<func>}
1012 \end{describe}
1013
1014 \begin{describe}{cls}{codegen () \&key :vars :insts (:temp-index 0)}
1015 \end{describe}
1016
1017 %%%--------------------------------------------------------------------------
1018 \section{Literal C code fragments} \label{sec:clang.fragment}
1019
1020 \begin{describe}{cls}{c-fragment () \&key :location :text}
1021 \end{describe}
1022
1023 \begin{describe}{gf}{c-fragment-text @<fragment> @> @<string>}
1024 \end{describe}
1025
1026 \begin{describe}{fun}
1027     {scan-c-fragment @<scanner> @<end-chars>
1028       @> @<result> @<success-flag> @<consumed-flag>}
1029 \end{describe}
1030
1031 \begin{describe}{fun}
1032     {parse-delimited-fragment @<scanner> @<begin> @<end> \&key :keep-end
1033       \nlret @<result> @<success-flag> @<consumed-flag>}
1034 \end{describe}
1035
1036 %%%----- That's all, folks --------------------------------------------------
1037
1038 %%% Local variables:
1039 %%% mode: LaTeX
1040 %%% TeX-master: "sod.tex"
1041 %%% TeX-PDF-mode: t
1042 %%% End: