Fix total pattern match verification
[scheme.git] / codegen.scm
index 55189cf6db556dc21bb3c294dc7cdba85491c4fb..748781d9f4cde883830176a93c651172c8ec81f4 100644 (file)
@@ -1,6 +1,7 @@
 (load "typecheck.scm")
 (load "ast.scm")
 (load "platform.scm")
+(load "stdlib.scm")
 
 (define target host-os)
 
 
 (define wordsize 8)
 
+(define (stack-type? dls type)
+  (if (adt? dls type)      
+      (> (type-size dls type) wordsize)
+      #f))
+
+(define (adt? data-layouts type) (assoc type data-layouts))
+
 (define (type-size data-layouts type)
 
   (define (adt-size adt)
   
   (case type
     ['Int wordsize]
-    ['Bool wordsize]
     [else
      (let ([adt (assoc type data-layouts)])
        (if adt
           (adt-size adt)
           (error #f "unknown size" type)))]))
 
+(define (singletons dls)
+  (flat-map
+   (lambda (sums)
+     (fold-left append '()
+               (filter (lambda (x) (= 1 (length x))) sums)))
+   (map cdr dls)))
+
+(define (singleton? dls x)
+  (memv x (singletons dls)))
+
+                                       ; returns the size of an expression's result in bytes
+(define (expr-size dls e)
+  (if (eqv? (ast-type e) 'stack)
+      (type-size dls (cadr e))
+      wordsize))
+
 (define (on-stack? expr)
   (case (ast-type expr)
     ['stack (cadr expr)]
     [else #f]))
 
+                                       ; does a movsq for something on the stack
+                                       ; src points to the start stack index, but not the top of that index
+                                       ; likewise for dst
+                                       ; | ...  |
+                                       ; +------+ <-- to here
+                                       ; | tag0 |
+                                       ; +------+ <-- src (size = 16)
+                                       ; |  42  |
+                                       ; +------+ <-- start copying from here...
+(define (emit-stack-copy src dst size)
+  (let ([size-to-copy (- size wordsize)])
+    (emit "leaq ~a(%rbp), %rsi" (- src size-to-copy))
+    (emit "leaq ~a(%rbp), %rdi" (- dst size-to-copy))
+    (emit "movq $~a, %rcx" (/ size wordsize))
+    (emit "rep movsq")))
+  
+
                                        ; an environment consists of adt layouts in scope,
                                        ; and any bound variables.
                                        ; bound variables are an assoc list with their stack offset
 (define make-env list)
 (define env-data-layouts car)
 (define env-bindings cadr)
+(define (env-append-bindings env bindings)
+  (make-env (env-data-layouts env)
+           (append bindings (env-bindings env))))
 
 (define (codegen-add xs si env)
   (define (go ys)
     (and (eqv? (ast-type expr) 'closure)
         (memv name (caddr expr))))
 
-
   ;; (define (emit-scc scc env)
   ;;   ; acc is a pair of the env and list of touchups
   ;;   (define (emit-binding acc binding)
   ;;   ))
 
   ;;   (fold-left emit-binding (cons env '()) scc))))
-  
-  (let* ([stack-offsets (map (lambda (name x) ; assoc map of binding name to offset
-                              (cons name (- si (* x wordsize))))
-                            (map car bindings)
-                            (range 0 (length bindings)))]
-        [inner-si (- si (* (length bindings) wordsize))]
+                                       ; assoc map of binding name to size
+
+
+  (define dls (env-data-layouts env))
+  
+  (define stack-sizes
+    (map (lambda (binding) (cons (car binding) (expr-size dls (cadr binding))))
+        bindings))
+
+                                       ; assoc map of binding name to offset
+  (define stack-offsets
+                                       ; 2  4  2  8  6
+    (let* ([totals                      ; 2  6  8  16 22
+           (reverse (fold-left (lambda (acc x)
+                                 (if (null? acc)
+                                     (list x)
+                                     (cons (+ x (car acc)) acc)))
+                               '()
+                               (map cdr stack-sizes)))]
+                                       ; 0  2  6  8  16
+          [relative-offsets (map - totals (map cdr stack-sizes))]
+          [absolute-offsets (map (lambda (x) (- si x)) relative-offsets)])
+      (map cons (map car stack-sizes) absolute-offsets)))
+  
+  (let* (
+                                       ; the stack index used when codegening binding body and main body
+                                       ; -> stack ->
+                                       ; [stack-offsets | inner-si]
+        [inner-si (- si (fold-left + 0 (map cdr stack-sizes)))]
 
         [get-offset (lambda (n) (cdr (assoc n stack-offsets)))]
         
                    [scc-env (make-env (env-data-layouts env) scc-binding-offsets)])
               (for-each 
                (lambda (name)
-                 (let ([expr (cadr (assoc name bindings))])
+                 (let* ([expr (cadr (assoc name bindings))]
+                        [size (expr-size dls expr)])
                    (emit "## generating ~a with scc-env ~a" name scc-env)
                    (if (self-captive-closure? name expr)
                                        ; if self-captive, insert a flag into the environment to let
                                       (cons (cons name 'self-captive)
                                             (env-bindings scc-env))))
                        (codegen-expr expr inner-si scc-env))
-                   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" (get-offset name))))
+
+                   (if (on-stack? expr)
+                                                 ; copy over whatevers on the stack
+                       (emit-stack-copy inner-si (get-offset name) size)
+                       (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" (get-offset name)))))
                comps)
               scc-env))
           env
                (codegen-expr form inner-si inner-env))
              body)))
 
-(define (codegen-var name si env)
-  (let ([binding (assoc name (env-bindings env))])
-    (if (not binding)
-       (error #f (format "Variable ~a is not bound" name))
-       (emit "movq ~a(%rbp), %rax" (cdr binding)))))
+(define (codegen-var e si env)
+  (let* ([stack-type (on-stack? e)]     
+        [name (if stack-type (caddr e) e)]
+
+        [dls (env-data-layouts env)]
+        
+                                   
+        [stack-offset (assoc name (env-bindings env))])
+
+    (when (and (not stack-offset) (not singleton?))
+      (error #f (format "Variable ~a is not bound" name)))
+
+    (cond
+     [(singleton? dls name)
+                                       ; singletons don't need to be in the environment
+                                       ; just store the tag
+      (let ([tag (data-sum-tag (env-data-layouts env) name)])
+       (if (on-stack? e)
+           (emit "movq $~a, ~a(%rbp)" tag si)
+           (emit "movq $~a, %rax" tag)))]
+     [(on-stack? e) (emit-stack-copy (cdr stack-offset) si (type-size dls stack-type))]
+     [else (emit "movq ~a(%rbp), %rax" (cdr stack-offset))])))
 
 (define cur-lambda 0)
 (define (fresh-lambda)
 (define (codegen-lambda l)
   (let* ((label (car l))
         (stuff (cdr l))
-        (captives (car stuff))
-        (args (cadr stuff))
-        (body (caddr stuff))
+        (dls (car stuff))
+        (captives (cadr stuff))
+        (args (caddr stuff))
+        (body (cadddr stuff))
                                        ; params = what actually gets passed
         (params (append captives args))
 
                             (range 0 (length params))))
 
         [bindings (map cons params stack-offsets)]
-        [env (make-env '() bindings)])
+        [env (make-env dls bindings)])
     (emit "~a:" label)
 
     (display "## lambda captives: ")
     (codegen-expr else si env)
     (emit "~a:" exit-label)))
 
+(define (codegen-case switch cases si env)
+  (define dls (env-data-layouts env))
+  (define exit-label (fresh-label))
+
+
+                                       ; checks if equal and returns assoc list of bindings
+  (define (check-equal jne-label type inner-offset x)
+
+                                       ; TODO: tidy this up! comparibles and binds could be merged
+                                       ; (foo a 2 (bar x)) -> ((2 Int 1) ((bar x) A 2))
+                                       ; sum: foo
+    (define (comparibles sum)
+      (let ([product-types (cdr (assoc sum (cdr (assoc type dls))))])
+       (if (null? product-types)
+           '()
+           (filter (lambda (x) (not (eqv? 'var (ast-type (car x)))))
+                   (map (lambda (x t i) (list x t i))
+                        (cdr x)
+                        product-types
+                        (range 0 (length product-types)))))))
+    
+    (define (binds sum)
+      (let ([product-types (cdr (assoc sum (cdr (assoc type dls))))])
+       (if (null? product-types)
+           '()
+           (filter (lambda (x) (eqv? 'var (ast-type (car x))))
+                   (map (lambda (x i)
+                          (cons x
+                                (- inner-offset
+                                   (data-product-offset dls type sum i))))
+                        (cdr x)
+                        (range 0 (length (cdr x))))))))
+            
+
+    (if (adt? dls type)
+       (let* ([sum (if (list? x) (car x) x)] ; can sometimes be a singleton
+              [tag (data-sum-tag dls sum)])
+                                       ; the tag is at the top (beginning) of the adt on the stack
+         (emit "cmpq $~a, ~a(%rbp)" tag inner-offset)
+         (emit "jne ~a" jne-label)
+
+         (append (binds sum)
+                 (flat-map
+                  (lambda (cmp) ; cmp = (x type index)
+                    (check-equal jne-label
+                                 (cadr cmp)
+                                 (- inner-offset (data-product-offset dls type sum (caddr cmp)))
+                                 (car cmp)))
+                  (comparibles sum))))
+       (if (eqv? 'var (ast-type x))
+           (list (cons x inner-offset))
+           (begin
+             (emit "cmpq $~a, ~a(%rbp)" x inner-offset)
+             (emit "jne ~a" jne-label)
+             '() ))))
+  
+  (define (codegen-adt-match type case)
+    (let* ([match (car case)]
+          [expr (cadr case)]
+          [next-section-label (fresh-label)]
+          [inner-si (- si (type-size dls type))]
+          [new-env (env-append-bindings env
+                    (check-equal next-section-label type si match))])
+
+
+      (codegen-expr expr inner-si new-env)
+      (emit "jmp ~a" exit-label)
+
+      (emit "~a:" next-section-label)))
+
+  (define (codegen-literal-match case)
+    (let* ([next-section-label (fresh-label)]
+          [match (car case)]
+          [val (if (singleton? dls match)
+                   (data-sum-tag dls match)
+                   match)])
+      (emit "cmpq $~a, %rax" val)
+      (emit "jne ~a" next-section-label)
+      (codegen-expr (cadr case) si env)
+      (emit "jmp ~a" exit-label)
+      (emit "~a:" next-section-label)))
+  
+                                       ; generate the switch
+                                       ; (and store it on the stack if not a stack value)
+  (codegen-expr switch si env)
+
+  (if (on-stack? switch)
+                                       ; adt pattern match
+      (for-each (lambda (x) (codegen-adt-match (cadr switch) x)) cases)
+      (for-each codegen-literal-match cases))
+  (emit "~a:" exit-label))
+      
+
 (define (data-tor env e)
-  (and (list? e)
+  (if (not (list? e)) #f    
       (assoc (car e) (flat-map data-tors (env-data-layouts env)))))
 
+                                       ; returns the internal offset in bytes of a product within an ADT
+                                       ; given the constructor layout
+                                       ; constructor-layout: (foo (Int Bool))
+(define (data-product-offset data-layouts type sum index)
+  (let* ([products (cdr (assoc sum (cdr (assoc type data-layouts))))]
+        [to-traverse (list-head products index)])
+    (fold-left
+     (lambda (acc t) (+ acc (type-size data-layouts t)))
+     wordsize ; skip the tag in the first word
+     to-traverse)))
+
+(define (data-sum-tag data-layouts sum)
+
+  (define (go acc sums)
+    (when (null? sums) (error #f "data-sum-tag no sum for type" sum type))
+    (if (eqv? sum (car sums))
+       acc
+       (go (+ 1 acc) (cdr sums))))
+  (let* ([all-sum-names (flat-map (lambda (x) (map (lambda (y) (cons (car y) (car x))) (cdr x))) data-layouts)]
+        [type (cdr (assoc sum all-sum-names))]
+        [type-sums (cdr (assoc type data-layouts))])
+    (go 0 (map car type-sums))))
+
 (define (codegen-data-tor e si env)
 
+  (define dls (env-data-layouts env))
+
   (define (codegen-destructor tor)
-    (codegen-expr (cadr e) si env)
-    (let ([index (cadr tor)]
-         [products 2]
-         [to-traverse (list-head products index)]
-         [offset (fold-left
-                  (lambda (acc t) (+ acc (type-size t)))
-                  wordsize ; skip tag in first word
-                  to-traverse)])
-      3
-      ))
-  
-  (let ([tor (data-tor env e)]
-       [constructor (eqv? 'constructor (cadr tor))])
+    (let* ([res (codegen-expr (cadr e) si env)]
+          [info (cadr tor)]
+          [type (car info)]
+          [sum (cadr info)]
+          [index (caddr info)]
+          [product-type (cadddr info)]
+          [product-type-size (type-size dls product-type)]
+
+          [safe-space-offset (- si (type-size dls type))]
+
+          [inner-offset (- si (data-product-offset dls type sum index))])
+      
+      (when (not (on-stack? (cadr e)))
+       (error #f "trying to destruct something that isn't a stack expression"))      
+      (emit "# deconstructing")
+
+      (if (stack-type? (env-data-layouts env) product-type)
+                                       ; if copying from the stack, need to first copy
+                                       ; to a safe space above to avoid overwriting
+                                       ; the original result on the stack
+                                       ; this is bad. please remove this in the rewrite.
+         (begin
+           (emit-stack-copy inner-offset safe-space-offset product-type-size)
+           (emit-stack-copy safe-space-offset si product-type-size))
+         (emit "movq ~a(%rbp), %rax" inner-offset))))
+
+  (define (codegen-constructor tor)
+    (let* ([info (cadr tor)]
+          [type (car info)]
+          [sum (cadr info)]
+          [constructor (car e)]
+
+          [args (cdr e)]
+
+          [tag (data-sum-tag (env-data-layouts env)
+                             sum)]
+
+          [inner-si (- si (type-size dls type))]
+
+          [product-types (cdr (assoc sum (cdr (assoc type dls))))]
+          
+          [insert-product
+           (lambda (expr i product-type)
+             (let ([dest-offset
+                    (- si (data-product-offset dls type sum i))]
+                   [product-size (type-size dls product-type)])
+               (codegen-expr expr inner-si env)
+               (if (on-stack? expr)
+                   (emit-stack-copy inner-si dest-offset product-size)
+                   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" dest-offset))))])
+          
+                                       ; emit the tag
+      (emit "movq $~a, ~a(%rbp)" tag si)     
+                                       ; generate products
+      (for-each insert-product args (range 0 (length args)) product-types)))
+  
+  (let* ([tor (data-tor env e)]
+        [constructor (eqv? 'constructor (caddr (cadr tor)))])
     (if constructor
        (codegen-constructor tor)
        (codegen-destructor tor))))
     ('var (codegen-var e si env))
 
     ('if (codegen-if (cadr e) (caddr e) (cadddr e) si env))
+    ('case (codegen-case (case-switch e) (case-cases e) si env))
     
     ('bool-literal (emit "movq $~a, %rax" (if e 1 0)))
     ('int-literal (emit "movq $~a, %rax" e))
     ('static-string (emit "movq ~a@GOTPCREL(%rip), %rax"
                          (cadr e)))
 
-    (else (error #f "don't know how to codegen this"))))
+    ('stack (case (ast-type (caddr e))
+             ['var (codegen-var e si env)]
+             [else (codegen-expr (caddr e) si env)]))
+
+    (else (error #f "don't know how to codegen this")))
+  (emit "# done ~a" e))
 
                                        ; takes in a expr annotated with types and returns a type-less AST
                                        ; with stack values wrapped
-(define (annotate-stack-values data-layout ann-e)
-  (define (struct-type? type)
-    (assoc type data-layout))
+(define (annotate-stack-values data-layouts ann-e)
   (define (strip e)
     (ast-traverse strip (ann-expr e)))
   (let* ([e (ann-expr ann-e)]
         [type (ann-type ann-e)])
-    (if (struct-type? type)
-       `(struct ,(type-size data-layout type) ,(ast-traverse strip e))
+    (if (stack-type? data-layouts type)
+       `(stack ,type
+               ,(ast-traverse (lambda (x) (annotate-stack-values data-layouts x)) e))
        (ast-traverse (lambda (x)
-                       (annotate-stack-values data-layout x))
+                       (annotate-stack-values data-layouts x))
                      e))))
 
-(define (free-vars prog)
-  (define bound '())
+(define (free-vars dls prog)
+  (define bound (singletons dls))
   (define (collect e)
     (case (ast-type e)
       ('builtin '()) ; do nothing
                                        ; outside of an immediate app
                                        ; but only one closure for each builtin
 
-(define (extract-lambdas program)
+(define (extract-lambdas dls program)
   (define lambdas '())
   (define (add-lambda e)
     (let* ((label (fresh-lambda))
           (args (lambda-args e))
-          (captured (free-vars e))
+          (captured (free-vars dls e))
           (body (extract (lambda-body e)))
-          (new-lambda (cons label (list captured args body))))
+          (new-lambda (cons label (list dls captured args body))))
       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
       `(closure ,label ,captured))) ; todo: should we string->symbol?
 
           (captured '())
           (args (builtin-args e))
           (body `(,e ,@args))
-          (new-lambda (cons label (list captured args body)))]
+          (new-lambda (cons label (list dls captured args body)))]
       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
       `(closure ,label ,captured)))
   
     (emit "movq heap_start@GOTPCREL(%rip), %rsi")
     (emit "movq %rax, (%rsi)")))
 
-(define (codegen program)
+(define (codegen program-without-stdlib)
   (set! cur-label 0)
   (set! cur-lambda 0)
-  (let* ([data-layouts (program-data-layouts program)]
+  (let* ([program (append stdlib program-without-stdlib)]
+        [data-layouts (program-data-layouts program)]
 
-        [type-annotated (annotate-types program)]
+        [pattern-matched (expand-pattern-matches program)]
+        [type-annotated (annotate-types pattern-matched)]
         [stack-annotated (annotate-stack-values data-layouts
                                                 type-annotated)]
         
         (strings-res (extract-strings stack-annotated))
         (strings (car strings-res))
-        (lambdas-res (extract-lambdas (cdr strings-res)))
+        (lambdas-res (extract-lambdas data-layouts (cdr strings-res)))
         (lambdas (car lambdas-res))
         (xform-prog (cdr lambdas-res)))
 
+                                       ; verify pattern matches are total
+    (verify-cases data-layouts type-annotated)
+
     (emit "\t.global _start")
     (emit "\t.text")
-                                       ;    (emit ".p2align 4,,15") is this needed?
 
     (for-each codegen-lambda lambdas)
 
     (initialize-heap)
 
     (emit "movq %rsp, %rbp")            ; set up the base pointer
-    
     (codegen-expr xform-prog (- wordsize) (make-env data-layouts '()))
 
                                        ; exit syscall