codegen.scm

   1 (load "typecheck.scm")
   2 (load "ast.scm")
   3 (load "platform.scm")
   4
   5 (define target host-os)
   6
   7 (define (emit . s)
   8   (begin
   9     (apply printf s)
  10     (display "\n")))
  11
  12 (define wordsize 8)
  13
  14 (define (stack-type? data-layouts type)
  15   (if (assoc type data-layouts) #t #f))
  16
  17
  18 (define (type-size data-layouts type)
  19
  20   (define (adt-size adt)
  21     (let ([sizes
  22            (map (lambda (sum)
  23                   (fold-left (lambda (acc x) (+ acc (type-size data-layouts x)))
  24                              wordsize ; one word needed to store tag
  25                              (cdr sum)))
  26                 (cdr adt))])
  27       (apply max sizes)))
  28
  29   (case type
  30     ['Int wordsize]
  31     ['Bool wordsize]
  32     [else
  33      (let ([adt (assoc type data-layouts)])
  34        (if adt
  35            (adt-size adt)
  36            (error #f "unknown size" type)))]))
  37
  38                                         ; returns the size of an expression's result in bytes
  39 (define (expr-size e)
  40   (if (eqv? (ast-type e) 'stack)
  41       (cadr e)
  42       wordsize))
  43
  44 (define (on-stack? expr)
  45   (case (ast-type expr)
  46     ['stack (cadr expr)]
  47     [else #f]))
  48
  49 ; does a movsq for something on the stack
  50 (define (emit-stack-copy src dst size)
  51   (emit "leaq ~a(%rbp), %rsi" (- src size))
  52   (emit "leaq ~a(%rbp), %rdi" (- dst size))
  53   (emit "movq $~a, %rcx" (/ size wordsize))
  54   (emit "rep movsq"))
  55
  56
  57                                         ; an environment consists of adt layouts in scope,
  58                                         ; and any bound variables.
  59                                         ; bound variables are an assoc list with their stack offset
  60 (define make-env list)
  61 (define env-data-layouts car)
  62 (define env-bindings cadr)
  63
  64 (define (codegen-add xs si env)
  65   (define (go ys)
  66     (if (null? ys)
  67         (emit "movq ~a(%rbp), %rax" si)
  68         (begin
  69           (let ((y (car ys)))
  70             (if (integer? y)
  71                 (emit "addq $~a, ~a(%rbp)" y si)
  72                 (begin
  73                   (codegen-expr y (- si wordsize) env)
  74                   (emit "addq %rax, ~a(%rbp)" si))))
  75           (go (cdr ys)))))
  76   (begin
  77                                         ; use si(%rbp) as the accumulator
  78     (emit "movq $0, ~a(%rbp)" si)
  79     (go xs)))
  80
  81 (define (codegen-binop opcode)
  82   (lambda (a b si env)
  83     (codegen-expr b si env)
  84     (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
  85     (codegen-expr a (- si wordsize) env)
  86     (emit "~a ~a(%rbp), %rax" opcode si)))
  87
  88 (define codegen-sub (codegen-binop "sub"))
  89
  90 (define codegen-mul (codegen-binop "imul"))
  91
  92 (define (codegen-not x si env)
  93   (codegen-expr x si env)
  94   (emit "notq %rax")
  95   (emit "andq $1, %rax"))
  96
  97 (define (codegen-eq a b si env)
  98   (codegen-expr a si env)
  99   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si)
 100   (codegen-expr b (- si wordsize) env)
 101   (emit "## ~a = ~b" a b)
 102   (emit "cmpq ~a(%rbp), %rax" si)
 103   (emit "sete %al"))
 104
 105                                         ; 'write file handle addr-string num-bytes
 106
 107 (define (codegen-print x si env)
 108   (codegen-expr x si env) ; x should be a static-string, producing a label
 109
 110                                         ; make a copy of string address since %rax and %rdi are clobbered
 111   (emit "mov %rax, %rbx")
 112
 113                                         ; get the length of the null terminated string
 114   (emit "mov %rax, %rdi")
 115   (emit "xor %al, %al")   ; set %al to 0
 116   (emit "mov $-1, %rcx") ; max search length = max int = -1
 117   (emit "cld")           ; clear direction flag, search up in memory
 118   (emit "repne scasb")   ; scan string, %rcx = -strlen - 1 - 1
 119
 120   (emit "not %rcx")      ; -%rcx = strlen + 1
 121   (emit "dec %rcx")
 122
 123   (emit "movq %rbx, %rsi") ; string addr
 124   (emit "movq %rcx, %rdx") ; num bytes
 125   (emit "movq $1, %rdi")   ; file handle (stdout)
 126   (case target
 127     ('darwin (emit "mov $0x2000004, %rax")) ; syscall 4 (write)
 128     ('linux  (emit "mov $1, %rax"))) ; syscall 1 (write)
 129   (emit "syscall"))
 130
 131 (define (codegen-let bindings body si env)
 132
 133                                         ; is this a closure that captures itself?
 134                                         ; e.g. (let ([x 3] [f (closure lambda0 (f x))]) (f))
 135   (define (self-captive-closure? name expr)
 136     (and (eqv? (ast-type expr) 'closure)
 137          (memv name (caddr expr))))
 138
 139   ;; (define (emit-scc scc env)
 140   ;;   ; acc is a pair of the env and list of touchups
 141   ;;   (define (emit-binding acc binding)
 142   ;;     (let ([binding-name (car binding)]
 143   ;;        [binding-body (cadr binding)]
 144
 145   ;;        [other-bindings (filter
 146   ;;                         (lambda (x) (not (eqv? binding-name x)))
 147   ;;                         scc)]
 148   ;;        [mutually-recursives
 149   ;;         (filter
 150   ;;          (lambda (other-binding)
 151   ;;            (memv other-binding (references binding-body)))
 152   ;;          other-bindings)]
 153
 154   ;;        [new-touchups (append touchups (cdr acc))])
 155
 156   ;;                                    ; TODO: assert that the only mutually recursives are closures
 157   ;;    (for-each
 158   ;;     (lambda (binding)
 159   ;;       (when (not (eqv? (ast-type (cadr binding))
 160
 161   ;;    (emit "asdf")
 162   ;;    (cons new-env new-touchups)
 163   ;;    ))
 164
 165   ;;   (fold-left emit-binding (cons env '()) scc))))
 166                                         ; assoc map of binding name to size
 167   (define stack-sizes
 168     (map (lambda (binding) (cons (car binding) (expr-size (cadr binding))))
 169          bindings))
 170
 171                                         ; assoc map of binding name to offset
 172   (define stack-offsets
 173                                         ; 2  4  2  8  6
 174     (let* ([totals                      ; 2  6  8  16 22
 175             (reverse (fold-left (lambda (acc x)
 176                                   (if (null? acc)
 177                                       (list x)
 178                                       (cons (+ x (car acc)) acc)))
 179                                 '()
 180                                 (map cdr stack-sizes)))]
 181                                         ; 0  2  6  8  16
 182            [relative-offsets (map - totals (map cdr stack-sizes))]
 183            [absolute-offsets (map (lambda (x) (- si x)) relative-offsets)])
 184       (map cons (map car stack-sizes) absolute-offsets)))
 185
 186   (let* (
 187                                         ; the stack index used when codegening binding body and main body
 188                                         ; -> stack ->
 189                                         ; [stack-offsets | inner-si]
 190          [inner-si (- si (fold-left + 0 (map cdr stack-sizes)))]
 191
 192          [get-offset (lambda (n) (cdr (assoc n stack-offsets)))]
 193
 194          [inner-env
 195           (fold-left
 196            (lambda (env comps)
 197              (let* ([scc-binding-offsets
 198                      (fold-left
 199                       (lambda (acc name)
 200                         (cons (cons name (get-offset name))
 201                               acc))
 202                       (env-bindings env)
 203                       comps)]
 204                     [scc-env (make-env (env-data-layouts env) scc-binding-offsets)])
 205                (for-each
 206                 (lambda (name)
 207                   (let* ([expr (cadr (assoc name bindings))]
 208                          [size (expr-size expr)])
 209                     (emit "## generating ~a with scc-env ~a" name scc-env)
 210                     (if (self-captive-closure? name expr)
 211                                         ; if self-captive, insert a flag into the environment to let
 212                                         ; codegen-closure realise this!
 213                         (codegen-expr expr
 214                                       inner-si
 215                                       (make-env
 216                                        (env-data-layouts scc-env)
 217                                        (cons (cons name 'self-captive)
 218                                              (env-bindings scc-env))))
 219                         (codegen-expr expr inner-si scc-env))
 220
 221                     (if (on-stack? expr)
 222                                                   ; copy over whatevers on the stack
 223                         (emit-stack-copy inner-si (get-offset name) size)
 224                         (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" (get-offset name)))))
 225                 comps)
 226                scc-env))
 227            env
 228            (reverse (sccs (graph bindings))))])
 229
 230     (for-each (lambda (form)
 231                 (codegen-expr form inner-si inner-env))
 232               body)))
 233
 234 (define (codegen-var e si env)
 235   (let* ([stack-size (on-stack? e)]
 236          [name (if (on-stack? e) (caddr e) e)]
 237          [stack-offset (cdr (assoc name (env-bindings env)))])
 238     (when (not stack-offset)
 239       (error #f (format "Variable ~a is not bound" name)))
 240
 241     (if (on-stack? e)
 242         (emit-stack-copy stack-offset si stack-size)
 243         (emit "movq ~a(%rbp), %rax" stack-offset))))
 244
 245 (define cur-lambda 0)
 246 (define (fresh-lambda)
 247   (set! cur-lambda (+ 1 cur-lambda))
 248   (format "_lambda~a" (- cur-lambda 1)))
 249
 250                                         ; a closure on the heap looks like:
 251                                         ; 0    8         16        24
 252                                         ; addr var1....  var2....  var3....
 253
 254 (define (codegen-closure label captured si env)
 255   (let* ((heap-offsets (map (lambda (i) (+ 8 (* 8 i)))
 256                             (range 0 (length captured))))) ; 4, 12, 20, etc.
 257
 258     (emit "## creating closure")
 259
 260     (emit "movq heap_start@GOTPCREL(%rip), %rbx")
 261
 262     (emit "movq (%rbx), %rax")          ; %rax = heap addr of closure
 263
 264
 265                                         ; point heap_start to next space
 266     (emit "addq $~a, (%rbx)" (+ 8 (* 8 (length captured))))
 267
 268     (emit "## storing address to lambda")
 269                                         ; store the address to the lambda code
 270     (emit "movq ~a@GOTPCREL(%rip), %rbx" label)
 271     (emit "movq %rbx, 0(%rax)")
 272
 273     (emit "## storing captives")
 274                                         ; store the captured vars
 275     (for-each
 276      (lambda (var-name heap-offset)
 277        (let ([stack-offset (cdr (assoc var-name (env-bindings env)))])
 278          (emit "### captive ~a" var-name)
 279          (if (eqv? stack-offset 'self-captive)
 280                                         ; captive refers to this closure:
 281                                         ; move heap addr of this closure to stack!
 282              (emit "movq %rax, ~a(%rax)" heap-offset)
 283              (begin
 284                (emit "movq ~a(%rbp), %rbx" stack-offset)
 285                (emit "movq %rbx, ~a(%rax)" heap-offset)))))
 286      captured
 287      heap-offsets)))
 288
 289                                         ; for now we can only call closures
 290 (define (codegen-call f args si env)
 291   (codegen-expr f si env)
 292
 293   (emit "## starting call")
 294
 295   (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" si) ; store address of closure first on stack
 296
 297                                         ; codegen the arguments, store them intermediately
 298   (for-each
 299    (lambda (e i)
 300      (begin
 301        (emit "## arg no. ~a" (- i 1))
 302        (codegen-expr e (- si (* wordsize i)) env)
 303                                         ; store intermediate result on stack
 304        (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" (- si (* wordsize i)))))
 305
 306    args (range 1 (length args)))
 307
 308                                         ; now that we have everything we need on the stack,
 309                                         ; move them into the param registers
 310
 311   (emit "## moving args into place")
 312   (for-each
 313    (lambda (i) (emit "movq ~a(%rbp), ~a"
 314                      (- si (* wordsize i))
 315                      (param-register i)))
 316    (range 1 (length args)))
 317
 318                                         ; todo: can this be made more efficient
 319   (emit "movq ~a(%rbp), %rax" si)       ; load back pointer to closure
 320
 321   (emit "## moving captives into place")
 322
 323                                         ; move captives into first argument
 324   (emit "movq %rax, %rbx")
 325   (emit "addq $8, %rbx")
 326   (emit "movq %rbx, ~a" (param-register 0))
 327
 328   (emit "## performing call")
 329
 330   (emit "addq $~a, %rsp" si) ; adjust the stack pointer to account all the stuff we put in the env
 331   (emit "callq *(%rax)")                ; call closure function
 332   (emit "subq $~a, %rsp" si))
 333
 334                                         ; LAMBDAS:
 335                                         ; 1st param: pointer to captured args
 336                                         ; 2nd param: 1st arg
 337                                         ; 3rd param: 2nd arg, etc.
 338
 339 (define (codegen-lambda l)
 340   (let* ((label (car l))
 341          (stuff (cdr l))
 342          (captives (car stuff))
 343          (args (cadr stuff))
 344          (body (caddr stuff))
 345                                         ; params = what actually gets passed
 346          (params (append captives args))
 347
 348          (stack-offsets (map (lambda (i)
 349                                (* (- wordsize) (+ 1 i)))
 350                              (range 0 (length params))))
 351
 352          [bindings (map cons params stack-offsets)]
 353          [env (make-env '() bindings)])
 354     (emit "~a:" label)
 355
 356     (display "## lambda captives: ")
 357     (display captives)
 358     (newline)
 359     (display "## lambda args: ")
 360     (display args)
 361     (newline)
 362     (display "## lambda body: ")
 363     (display body)
 364     (newline)
 365
 366     (emit "push %rbp") ; preserve caller's base pointer
 367
 368     (emit "movq %rsp, %rbp") ; set up our own base pointer
 369
 370                                         ; load the captured vars onto the stack
 371     (for-each
 372      (lambda (i)
 373        (begin
 374          (emit "# loading captive ~a" (list-ref captives i))
 375          (emit "movq ~a(~a), %rbx" (* wordsize i) (param-register 0))
 376          (emit "movq %rbx, ~a(%rbp)" (* (- wordsize) (+ 1 i)))))
 377      (range 0 (length captives)))
 378
 379                                         ; load the args onto the stack
 380     (for-each
 381      (lambda (i)
 382        (begin
 383          (emit "movq ~a, %rbx" (param-register (+ 1 i)))
 384          (emit "movq %rbx, ~a(%rbp)"
 385                (* (- wordsize)
 386                   (+ 1 (length captives) i)))))
 387      (range 0 (length args)))
 388
 389     (codegen-expr body (* (- wordsize) (+ 1 (length params))) env)
 390
 391     (emit "pop %rbp") ; restore caller's base pointer
 392     (emit "ret")))
 393
 394 (define cur-label 0)
 395 (define (fresh-label)
 396   (set! cur-label (+ 1 cur-label))
 397   (format "label~a" (- cur-label 1)))
 398
 399 (define (codegen-if cond then else si env)
 400   (codegen-expr cond si env)
 401   (emit "cmpq $0, %rax")
 402   (let ((exit-label (fresh-label))
 403         (else-label (fresh-label)))
 404     (emit "je ~a" else-label)
 405     (codegen-expr then si env)
 406     (emit "jmp ~a" exit-label)
 407     (emit "~a:" else-label)
 408     (codegen-expr else si env)
 409     (emit "~a:" exit-label)))
 410
 411 (define (data-tor env e)
 412   (if (not (list? e)) #f
 413       (assoc (car e) (flat-map data-tors (env-data-layouts env)))))
 414
 415                                         ; returns the internal offset in bytes of a product within an ADT
 416                                         ; given the constructor layout
 417                                         ; constructor-layout: (foo (Int Bool))
 418 (define (data-product-offset data-layouts type sum index)
 419   (let* ([products (cdr (assoc sum (cdr (assoc type data-layouts))))]
 420          [to-traverse (list-head products index)])
 421     (fold-left
 422      (lambda (acc t) (+ acc (type-size data-layouts t)))
 423      wordsize ; skip the tag in the first word
 424      to-traverse)))
 425
 426 (define (data-sum-tag data-layouts type sum)
 427
 428   (define (go acc sums)
 429     (when (null? sums) (error #f "data-sum-tag no sum for type" sum type))
 430     (if (eqv? sum (car sums))
 431         acc
 432         (go (+ 1 acc) (cdr sums))))
 433   (let* ([type-sums (cdr (assoc type data-layouts))])
 434     (go 0 (map car type-sums))))
 435
 436 (define (codegen-data-tor e si env)
 437
 438   (define dls (env-data-layouts env))
 439
 440   (define (codegen-destructor tor)
 441     (let* ([res (codegen-expr (cadr e) si env)]
 442            [info (cadr tor)]
 443            [type (car info)]
 444            [sum (cadr info)]
 445            [index (caddr info)]
 446            [product-type (cadddr info)]
 447            [product-type-size (type-size dls product-type)]
 448
 449            [safe-space-offset (- si (type-size dls type))]
 450
 451            [inner-offset (- si (data-product-offset dls type sum index))])
 452
 453       (when (not (on-stack? (cadr e)))
 454         (error #f "trying to destruct something that isn't a stack expression"))
 455       (emit "# deconstructing")
 456
 457       (if (stack-type? (env-data-layouts env) product-type)
 458                                         ; if copying from the stack, need to first copy
 459                                         ; to a safe space above to avoid overwriting
 460                                         ; the original result on the stack
 461                                         ; this is bad. please remove this in the rewrite.
 462           (begin
 463             (emit-stack-copy inner-offset safe-space-offset product-type-size)
 464             (emit-stack-copy safe-space-offset si product-type-size))
 465           (emit "movq ~a(%rbp), %rax" inner-offset))))
 466
 467   (define (codegen-constructor tor)
 468     (let* ([info (cadr tor)]
 469            [type (car info)]
 470            [sum (cadr info)]
 471            [constructor (car e)]
 472
 473            [args (cdr e)]
 474
 475            [tag (data-sum-tag (env-data-layouts env)
 476                               type
 477                               sum)]
 478
 479            [inner-si (- si (type-size dls type))]
 480
 481            [product-types (cdr (assoc sum (cdr (assoc type dls))))]
 482
 483            [insert-product
 484             (lambda (expr i product-type)
 485               (let ([dest-offset
 486                      (- si (data-product-offset dls type sum i))]
 487                     [product-size (type-size dls product-type)])
 488                 (codegen-expr expr inner-si env)
 489                 (if (on-stack? expr)
 490                     (emit-stack-copy inner-si dest-offset product-size)
 491                     (emit "movq %rax, ~a(%rbp)" dest-offset))))])
 492
 493                                         ; emit the tag
 494       (emit "movq $~a, ~a(%rbp)" tag si)
 495                                         ; generate products
 496       (for-each insert-product args (range 0 (length args)) product-types)))
 497
 498   (let* ([tor (data-tor env e)]
 499          [constructor (eqv? 'constructor (caddr (cadr tor)))])
 500     (if constructor
 501         (codegen-constructor tor)
 502         (codegen-destructor tor))))
 503
 504 (define (codegen-expr e si env)
 505   (emit "# ~a" e)
 506   (case (ast-type e)
 507     ('closure (codegen-closure (cadr e) (caddr e) si env))
 508     ('app
 509      (case (car e)
 510        ('+ (codegen-add (cdr e) si env))
 511        ('- (codegen-sub (cadr e) (caddr e) si env))
 512        ('* (codegen-mul (cadr e) (caddr e) si env))
 513        ('! (codegen-not (cadr e) si env))
 514        ('= (codegen-eq  (cadr e) (caddr e) si env))
 515        ('bool->int (codegen-expr (cadr e) si env))
 516        ('print (codegen-print (cadr e) si env))
 517        (else
 518         (if (data-tor env e)
 519             (codegen-data-tor e si env)
 520             (codegen-call (car e) (cdr e) si env)))))
 521
 522                                         ; this is a builtin being passed around as a variable
 523                                         ; this should have been converted to a closure!
 524     ('builtin (error #f "passing about a builtin!" e))
 525
 526     ('let (codegen-let (let-bindings e)
 527                        (let-body e)
 528                        si
 529                        env))
 530
 531     ('var (codegen-var e si env))
 532
 533     ('if (codegen-if (cadr e) (caddr e) (cadddr e) si env))
 534
 535     ('bool-literal (emit "movq $~a, %rax" (if e 1 0)))
 536     ('int-literal (emit "movq $~a, %rax" e))
 537
 538     ('static-string (emit "movq ~a@GOTPCREL(%rip), %rax"
 539                           (cadr e)))
 540
 541     ('stack (case (ast-type (caddr e))
 542               ['var (codegen-var e si env)]
 543               [else (codegen-expr (caddr e) si env)]))
 544
 545     (else (error #f "don't know how to codegen this")))
 546   (emit "# done ~a" e))
 547
 548                                         ; takes in a expr annotated with types and returns a type-less AST
 549                                         ; with stack values wrapped
 550 (define (annotate-stack-values data-layouts ann-e)
 551   (define (stack-type? type)
 552     (assoc type data-layouts))
 553   (define (strip e)
 554     (ast-traverse strip (ann-expr e)))
 555   (let* ([e (ann-expr ann-e)]
 556          [type (ann-type ann-e)])
 557     (if (stack-type? type)
 558         `(stack ,(type-size data-layouts type)
 559                 ,(ast-traverse (lambda (x) (annotate-stack-values data-layouts x)) e))
 560         (ast-traverse (lambda (x)
 561                         (annotate-stack-values data-layouts x))
 562                       e))))
 563
 564 (define (free-vars prog)
 565   (define bound '())
 566   (define (collect e)
 567     (case (ast-type e)
 568       ('builtin '()) ; do nothing
 569       ('var (if (memv e bound) '() (list e)))
 570       ('lambda
 571           (begin
 572             (set! bound (append (lambda-args e) bound))
 573             (collect (lambda-body e))))
 574
 575       ('app (flat-map collect e))
 576       ('if (flat-map collect (cdr e)))
 577       ('let
 578           (let ([bind-fvs (flat-map (lambda (a)
 579                                       (begin
 580                                         (set! bound (cons (car a) bound))
 581                                         (collect (cdr a))))
 582                                     (let-bindings e))])
 583             (append bind-fvs (flat-map collect (let-body e)))))
 584       (else '())))
 585   (collect prog))
 586
 587                                         ; ((lambda (x) (+ x y)) 42) => ((closure lambda1 (y)) 42)
 588                                         ;                              [(lambda1 . ((y), (x), (+ x y))]
 589                                         ; for builtins, this generates a closure if it is used
 590                                         ; outside of an immediate app
 591                                         ; but only one closure for each builtin
 592
 593 (define (extract-lambdas program)
 594   (define lambdas '())
 595   (define (add-lambda e)
 596     (let* ((label (fresh-lambda))
 597            (args (lambda-args e))
 598            (captured (free-vars e))
 599            (body (extract (lambda-body e)))
 600            (new-lambda (cons label (list captured args body))))
 601       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
 602       `(closure ,label ,captured))) ; todo: should we string->symbol?
 603
 604   (define (find-builtin-lambda e)
 605     (let [(l (assq (builtin-name e) lambdas))]
 606       (if l `(closure ,(car l) ,(caadr l)) #f)))
 607
 608   (define (builtin-name e)
 609     (case e
 610       ('+ "_add")
 611       ('- "_sub")
 612       ('* "_mul")
 613       ('! "_not")
 614       ('= "_eq")
 615       ('bool->int "_bool2int")
 616       ('print "_print")
 617       (else (error #f "don't know this builtin"))))
 618   (define (builtin-args e)
 619     (case e
 620       ('+ '(x y))
 621       ('- '(x y))
 622       ('* '(x y))
 623       ('! '(x))
 624       ('= '(x y))
 625       ('bool->int '(x))
 626       ('print '(x))
 627       (else (error #f "don't know this builtin"))))
 628
 629   (define (add-builtin-lambda e)
 630     (let* [(label (builtin-name e))
 631            (captured '())
 632            (args (builtin-args e))
 633            (body `(,e ,@args))
 634            (new-lambda (cons label (list captured args body)))]
 635       (set! lambdas (cons new-lambda lambdas))
 636       `(closure ,label ,captured)))
 637
 638   (define (extract e)
 639     (case (ast-type e)
 640       ('lambda (add-lambda e))
 641       ('let `(let ,(map (lambda (b) `(,(car b) ,@(extract (cdr b)))) (let-bindings e))
 642                ,@(map extract (let-body e))))
 643       ('app (append
 644                                         ; if a builtin is used as a function, don't generate lambda
 645              (if (eqv? 'builtin (ast-type (car e)))
 646                  (list (car e))
 647                  (list (extract (car e))))
 648              (map extract (cdr e))))
 649
 650       ('builtin
 651        (if (find-builtin-lambda e)
 652            (find-builtin-lambda e)
 653            (add-builtin-lambda e)))
 654
 655
 656       (else (ast-traverse extract e))))
 657   (let ((transformed (extract program)))
 658     (cons lambdas transformed)))
 659
 660 (define (extract-strings program)
 661   (let ((cur-string 0)
 662         (strings '())) ; assoc list of labels -> string
 663     (define (fresh-string)
 664       (set! cur-string (+ cur-string 1))
 665       (format "string~a" (- cur-string 1)))
 666     (define (extract e)
 667       (case (ast-type e)
 668         ('string-literal
 669          (let ((label (fresh-string)))
 670            (set! strings (cons (cons label e) strings))
 671            `(static-string ,label)))
 672         (else (ast-traverse extract e))))
 673     (let ((transformed (extract program)))
 674       (cons strings transformed))))
 675
 676 (define (emit-string-data s)
 677   (emit "~a:" (car s))
 678   (emit "\t.string \"~a\"" (cdr s)))
 679
 680                                         ; 24(%rbp) mem arg 1
 681                                         ; 16(%rbp) mem arg 0          prev frame
 682                                         ; -----------------------
 683                                         ;  8(%rbp) return address     cur frame
 684                                         ;  0(%rbp) prev %rbp
 685                                         ; -8(%rbp) do what you want
 686                                         ;  ...     do what you want
 687                                         ;  0(%rsp) do what you want
 688
 689 (define (param-register n)
 690   (case n
 691     (0 "%rdi")
 692     (1 "%rsi")
 693     (2 "%rdx")
 694     (3 "%rcx")
 695     (4 "%r8")
 696     (5 "%r9")
 697     (else (error #f "need to test out the below"))
 698     (else (format "~a(%rsp)" (- n 6)))))
 699
 700 (define (initialize-heap)
 701   (let ((mmap
 702          (case target
 703            ('darwin "0x20000c5")
 704            ('linux "9"))))
 705                                         ; allocate some heap memory
 706     (emit "mov $~a, %rax" mmap) ; mmap
 707     (emit "xor %rdi, %rdi")  ; addr = null
 708     (emit "movq $1024, %rsi")   ; length = 1kb
 709     (emit "movq $0x3, %rdx") ; prot = read | write = 0x2 | 0x1
 710                                         ;    flags = anonymous | private
 711     (case target
 712       ('darwin (emit "movq $0x1002, %r10")) ; anon = 0x1000, priv = 0x02
 713       ('linux (emit "movq $0x22, %r10")))   ; anon = 0x20,   priv = 0x02
 714     (emit "movq $-1, %r8") ; fd = -1
 715     (emit "xor %r9, %r9") ; offset = 0
 716     (emit "syscall")
 717                                         ; %rax now contains pointer to the start of the heap
 718                                         ; keep track of it
 719
 720     (emit "movq heap_start@GOTPCREL(%rip), %rsi")
 721     (emit "movq %rax, (%rsi)")))
 722
 723 (define (codegen program)
 724   (set! cur-label 0)
 725   (set! cur-lambda 0)
 726   (let* ([data-layouts (program-data-layouts program)]
 727
 728          [pattern-matched (expand-pattern-matches program)]
 729          [type-annotated (annotate-types pattern-matched)]
 730          [stack-annotated (annotate-stack-values data-layouts
 731                                                  type-annotated)]
 732
 733          (strings-res (extract-strings stack-annotated))
 734          (strings (car strings-res))
 735          (lambdas-res (extract-lambdas (cdr strings-res)))
 736          (lambdas (car lambdas-res))
 737          (xform-prog (cdr lambdas-res)))
 738
 739     (emit "\t.global _start")
 740     (emit "\t.text")
 741                                         ;    (emit ".p2align 4,,15") is this needed?
 742
 743     (for-each codegen-lambda lambdas)
 744
 745     (emit "_start:")
 746
 747     (initialize-heap)
 748
 749     (emit "movq %rsp, %rbp")            ; set up the base pointer
 750
 751     (codegen-expr xform-prog (- wordsize) (make-env data-layouts '()))
 752
 753                                         ; exit syscall
 754     (emit "mov %rax, %rdi")
 755     (case target
 756       ('darwin (emit "movq $0x2000001, %rax"))
 757       ('linux (emit "mov $60, %rax")))
 758     (emit "syscall")
 759
 760     (emit ".data")
 761
 762     (emit "heap_start:")
 763     (emit "\t.quad 0")
 764
 765     (for-each emit-string-data strings)))
 766
 767 (define (compile-to-binary program output t)
 768   (set! target t)
 769   (when (not (eq? (typecheck program) 'Int)) (error #f "not an Int"))
 770   (let ([tmp-path "/tmp/a.s"])
 771     (when (file-exists? tmp-path) (delete-file tmp-path))
 772     (with-output-to-file tmp-path
 773       (lambda () (codegen program)))
 774
 775     (case target
 776       ('darwin
 777        (system "as /tmp/a.s -o /tmp/a.o")
 778        (system (format "ld /tmp/a.o -e _start -macosx_version_min 10.14 -static -o ~a" output)))
 779       ('linux
 780        (system "as /tmp/a.s -o /tmp/a.o")
 781        (system (format "ld /tmp/a.o -o ~a" output))))))
 782
 783 ; NOTES
 784 ; syscalls in linux and darwin use the following arguments for syscall instruction:
 785 ; %rax = syscall #
 786 ; %rdi = 1st arg
 787 ; %rsi = 2nd arg
 788 ; %rdx = 3rd arg
 789 ; %r10 = 4th arg
 790 ; %r8  = 5th arg
 791 ; %r9  = 6th arg
 792
 793 ; on darwin, unix/posix syscalls are offset by 0x2000000 (syscall classes)
 794 ; https://opensource.apple.com/source/xnu/xnu-2782.20.48/bsd/kern/syscalls.master
 795 ; documentation for most syscalls: /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/MacOSX.platform/Developer/SDKs/MacOSX.sdk/usr/include/sys