RustでLLVM IRを

出力する言語を作った話

Fizz Buzz編

 スライドの内容は独自調査によるものです

間違っていたらすみません!

CAUTION!

誰?

 - フロントエンドをメインにやってるエンジニア

 - 最近はVueとか書いてる。状況に応じてバックエンドもやる

 - 言語作成は初めて(2018/6から開始)

このスライドは?

 - Rustで自作言語を作成している

 - とりあえずFizz Buzzができるようになった

 - 素人でも適当な物は作れるし楽しい！

LLVM IRとは

 - LLVMで使われている中間言語

 - 各ステージのコンパイラのやりとりなどに用いられる

 - Rustでも使われている

実物

 - Fizz Buzzのgif貼っときます

 - 気が向いたらレポジトリを見てやってください

作成範囲

 - 赤いとこ(コンパイラフロントエンド)

 - 字句解析(Lexer)、構文解析(Parser)してASTを作成

 - 作成したASTとllvm-sysを用いてLLVM IRを出力している

作成範囲

 - 概ねGo言語でつくるインタプリタを参考に作成

 - LLVM IRを出力する処理を追加

 - Fizz Buzzを作るためwhile文などを追加

LLVM IRを出力する処理を追加

 - 基本的にllvm-sysが提供する関数を呼び出していく

 - pointerを扱うのでunsafeを使う必要がある

 - 直接は扱いにくいので淡々とラップしていく

// intの定数を作成する
pub fn const_int(llvm_type: *mut LLVMType, value: u64) -> *mut LLVMValue {
    unsafe {
        LLVMConstInt(
            llvm_type,            // int1, int8, int32などを指定する
            value,                    // 実際の値
            0                            // 0: unsigned, 1: signed
        )
    }
}

 - ただマネするだけだとFizz Buzzが実装しにくい(※)

 - while文をASTに追加

 - 下みたいなLLVM IRをASTから出力するように実装する

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  %0 = load i32, i32* %i
  %1 = icmp ule i32 %0, 100         ; %1 = (i <= 100)
  br i1 %1, label %2, label %7        ; %1がtrue => %2, false => %7

; <label>:2:                                      ; ラベル%2
  %3 = load i32, i32* %i
  %4 = add i32 %3, 1
  store i32 %4, i32* %i
  %5 = load i32, i32* %i
  %6 = icmp ule i32 %5, 100         ; %6 = (i <= 100)
  br i1 %6, label %2, label %7        ; %6がtrue => %2, false => %7

; <label>:7:                                      ; ラベル%7
  ret i32 1
}

Fizz Buzzを作るためwhile文などを追加

 ※ 再帰関数とか使えばできはする

let i = 1;

while (i <= 100) {
  i = i + 1;
}

return 1;

自作言語

LLVM IR

llvm-sysの使い方

 1. LLVMBuilderを作成する

 2. LLVMModuleを作成する

 3. エントリポイントであるmainの関数を作成する

 4. エントリポイントであるentryブロックを作成する

 5. ブロック内の処理を記述する

 6. 不要になったbuilderやmoduleを廃棄する

llvm-sysの使い方

Module

Function

Label

Block

実際の処理が入る

Label

Block

簡単なLLVM IRの構造

; １を返すLLVM IR

; モジュール名
; ModuleID = 'main_module'
source_filename = "main_module"

; エントリポイントとなる関数
define i32 @main() {

; エントリポイントとなるブロック
entry:
  ret i32 1                ; ret(return）やbr(branch)でブロックを終了してやる必要がある
}

 実際に以下のような1を返すだけの関数を実装してみる

llvm-sysの使い方

extern crate llvm_sys;
use std::ffi::CString;
use std::ptr;
use llvm_sys::core::*;

fn main() {
  unsafe {
    // 1. LLVMBuilderを作成する
    let builder = LLVMCreateBuilder();

    //  2. LLVMModuleを作成する
    let module_name = CString::new("main_module").unwrap().as_ptr();
    let module = LLVMModuleCreateWithName(module_name);

    // 3. エントリポイントであるmainの関数を作成する
    let int32_type = LLVMInt32Type();
    let function_name = CString::new("main").unwrap().as_ptr();
    let function_type = LLVMFunctionType(int32_type, ptr::null_mut(), 0, 0);
    let function = LLVMAddFunction(module, function_name, function_type);

    // 4. エントリポイントであるentryブロックを作成する
    let entry_block_name = CString::new("entry").unwrap().as_ptr();
    let entry_block = LLVMAppendBasicBlock(function, entry_block_name); 
    LLVMPositionBuilderAtEnd(builder, entry_block);

    // 5. ブロック内の処理を記述する
    let return_value = LLVMConstInt(int32_type, 1, 0);
    LLVMBuildRet(builder, llvm_value);

    // 6. 不要になったbuilderやmoduleを廃棄する
    LLVMDisposeBuilder(builder);
    LLVMDisposeModule(module);
  }
}
extern crate llvm_sys;
use std::ffi::CString;
use std::ptr;
use llvm_sys::core::*;

fn main() {
  unsafe {
    // 1. LLVMBuilderを作成する
    let builder = LLVMCreateBuilder();

    //  2. LLVMModuleを作成する
    let module_name = CString::new("main_module").unwrap().as_ptr();
    let module = LLVMModuleCreateWithName(module_name);

    // 3. エントリポイントであるmainの関数を作成する
    let int32_type = LLVMInt32Type();
    let function_name = CString::new("main").unwrap().as_ptr();
    let function_type = LLVMFunctionType(int32_type, ptr::null_mut(), 0, 0);
    let function = LLVMAddFunction(module, function_name, function_type);

    // 4. エントリポイントであるentryブロックを作成する
    let entry_block_name = CString::new("entry").unwrap().as_ptr();
    let entry_block = LLVMAppendBasicBlock(function, entry_block_name); 
    LLVMPositionBuilderAtEnd(builder, entry_block);

    // 5. ブロック内の処理を記述する
    let return_value = LLVMConstInt(int32_type, 1, 0);
    LLVMBuildRet(builder, llvm_value);

    // 6. 不要になったbuilderやmoduleを廃棄する
    LLVMDisposeBuilder(builder);
    LLVMDisposeModule(module);
  }
}

長い

そして書きにくい…

llvm-sysを使う理由

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

 2. 開発用のサポートメソッドが便利

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

下のようにif文を含んだ関数があったとする

let i = 1;

if (true) {
  i = 2;
}　elseif(false) {
 i = 3;
}

return i;

上記の言語は自作言語。elseifをelse if と読めば

この式ではJavaScriptと同じ処理結果になる

以下のようなLLVM IRになる

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  br i1 true, label %1, label %0

; <label>:0:                                      ; preds = %entry
  br i1 false, label %3, label %2

; <label>:1:                                      ; preds = %entry
  store i32 2, i32* %i
  br label %4

; <label>:2:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:3:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:4:                                      ; preds = %2, %3, %1
  %5 = load i32, i32* %i
  ret i32 %5
}

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

ブロックやラベルは明示されない。暗黙のうちに決定

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  br i1 true, label %1, label %0

; <label>:0:                                      ; preds = %entry
  br i1 false, label %3, label %2

; <label>:1:                                      ; preds = %entry
  store i32 2, i32* %i
  br label %4

; <label>:2:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:3:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:4:                                      ; preds = %2, %3, %1
  %5 = load i32, i32* %i
  ret i32 %5
}

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

ブロックは暗黙の内に決まるが

brやretを使ってブロックを閉じてやる必要がある

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  br i1 true, label %1, label %0

; <label>:0:                                      ; preds = %entry
  br i1 false, label %3, label %2

; <label>:1:                                      ; preds = %entry
  store i32 2, i32* %i
  br label %4

; <label>:2:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:3:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:4:                                      ; preds = %2, %3, %1
  %5 = load i32, i32* %i
  ret i32 %5
}

ブロックA

ブロックB

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

暗黙のうちに決まるラベルを正確に指定してやる必要がある

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  br i1 true, label %1, label %0

; <label>:0:                                      ; preds = %entry
  br i1 false, label %3, label %2

; <label>:1:                                      ; preds = %entry
  store i32 2, i32* %i
  br label %4

; <label>:2:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:3:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:4:                                      ; preds = %2, %3, %1
  %5 = load i32, i32* %i
  ret i32 %5
}

<label>:0とかは

単なるコメント

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

llvm-sysならブロックやラベルの処理は自動でやってくれる

define i32 @main() {
entry:
  %i = alloca i32
  store i32 1, i32* %i
  br i1 true, label %1, label %0

; <label>:0:                                      ; preds = %entry
  br i1 false, label %3, label %2

; <label>:1:                                      ; preds = %entry
  store i32 2, i32* %i
  br label %4

; <label>:2:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:3:                                      ; preds = %0
  br label %4

; <label>:4:                                      ; preds = %2, %3, %1
  %5 = load i32, i32* %i
  ret i32 %5
}

 1. 自力だと暗黙のブロックやラベルの処理が辛い

 以下のような開発を行うためのメソッドがあり

 ゼロから開発するよりは楽

LLVMVerifyModule

  LLVMModuleを引数に取り、対象のモジュールのブロックが閉じていないとか、関数に渡している型が間違っているとかを教えてくれる。エラーコードなどのstructを返すわけでなく文字列を返してくるし、そもそもセグフォとかは認識してくれない

LLVMRunFunction

  引数で指定した関数を実行し戻り値を受け取ることができる。一部の関数が使用できないなどの制限はあるが、Rust上でテストを行う際にとても便利

 2. 開発用のサポートメソッドが便利

とりあえずFizz Buzzはできたが…

反省点

反省点や実装したいのに未実装な機能が多い

手製のParserとかも辛い

根本的に知識が不足している

特に実装したかったところ

反省点

 - クロージャ

 - 引数や戻り値として関数を使えるようにする

 - 型検査

型検査

反省点

関数の宣言に型が必要なのに型検査自体はできていない

// 独自言語
let testFunction = fn(a: int): int {
    return a * 2;
};
testFunction(1);
; 出力結果のLLVM IR
define i32 @main() {
entry:
  %0 = call i32 @0(i32 1)
  ret i32 0
}

define i32 @0(i32) {
entry:
  %1 = mul i32 %0, 2
  ret i32 %1
}

型検査

反省点

// Rust
// 関数をモジュールに追加する
#[allow(dead_code)]
pub fn add_function(target_module: *mut LLVMModule, function_type: *mut LLVMType, name: &str) -> *mut LLVMValue {
    unsafe {
        LLVMAddFunction(
            target_module,                            // 追加したいモジュール
            c_string!(name).as_ptr(),          // 関数名
            function_type                              // 関数の型
        ) 
    }
}

// 関数の型を作成する
#[allow(dead_code)]
pub fn function_type(ret_type: *mut LLVMType, args: &mut [*mut LLVMType]) -> *mut LLVMType {
    unsafe {
        LLVMFunctionType(
            ret_type,                        // 戻り値の型
            args.as_mut_ptr(),       // 引数の型の配列のポインタ
            args.len() as u32,          // 引数の型の配列のlength
            0                                      // 0: 引数の数が固定、 1: 引数の数の指定なし
        )
    }
}

関数の宣言時に関数の型を宣言してやる必要がある

現状では実行時まで型がわからない…

型検査

反省点

関数の宣言時に関数の型を宣言してやる必要がある

現状では実行時まで型がわからない…

- ASTに型情報を所持させる必要がある

- 型検査について調査し実装する必要がある

まとめ

- 素人でもとりあえず動くものはできる。楽しい

- LLVM IRを出力する以上、独自の型検査が必要そう

- ちょっと勉強して作り直してきます

参考リンクなど

- 今回作成した言語

- LLVM IRのBasicBlockなどの図がわかりやすい記事

- おそらくLLVMVerifyModuleでVerifyしているであろうもの

- ラベルやブロックが暗黙のうちに決まる件

ご静聴ありがとうございました

RustでLLVM IRを出力する言語を作った話 - Fizz Buzz編 -

By rchaser53

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RustでLLVM IRを出力する言語を作った話 - Fizz Buzz編 -

RustでLLVM IRを出力する言語をとりあえず作ったみた。 Fizz Buzzができるようになったので一旦発表する。

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