2002-07-22 Tim Coleman <tim@timcoleman.com>
[mono.git] / mcs / docs / compiler
1                        The Internals of the Mono C# Compiler
2         
3                                 Miguel de Icaza
4                               (miguel@ximian.com)
5                                       2002
6
7 * Abstract
8
9         The Mono C# compiler is a C# compiler written in C# itself.
10         Its goals are to provide a free and alternate implementation
11         of the C# language.  The Mono C# compiler generates ECMA CIL
12         images through the use of the System.Reflection.Emit API which
13         enable the compiler to be platform independent.
14         
15 * Overview: How the compiler fits together
16
17         The compilation process is managed by the compiler driver (it
18         lives in driver.cs).
19
20         The compiler reads a set of C# source code files, and parses
21         them.  Any assemblies or modules that the user might want to
22         use with his project are loaded after parsing is done.
23
24         Once all the files have been parsed, the type hierarchy is
25         resolved.  First interfaces are resolved, then types and
26         enumerations.
27
28         Once the type hierarchy is resolved, every type is populated:
29         fields, methods, indexers, properties, events and delegates
30         are entered into the type system.  
31
32         At this point the program skeleton has been completed.  The
33         next process is to actually emit the code for each of the
34         executable methods.  The compiler drives this from
35         RootContext.EmitCode.
36
37         Each type then has to populate its methods: populating a
38         method requires creating a structure that is used as the state
39         of the block being emitted (this is the EmitContext class) and
40         then generating code for the topmost statement (the Block).
41
42         Code generation has two steps: the first step is the semantic
43         analysis (Resolve method) that resolves any pending tasks, and
44         guarantees that the code is correct.  The second phase is the
45         actual code emission.  All errors are flagged during in the
46         "Resolution" process. 
47
48         After all code has been emitted, then the compiler closes all
49         the types (this basically tells the Reflection.Emit library to
50         finish up the types), resources, and definition of the entry
51         point are done at this point, and the output is saved to
52         disk. 
53
54 * The parsing process
55
56         All the input files that make up a program need to be read in
57         advance, because C# allows declarations to happen after an
58         entity is used, for example, the following is a valid program:
59
60         class X : Y {
61                 static void Main ()
62                 {
63                         a = "hello"; b = "world";
64                 }
65                 string a;
66         }
67         
68         class Y {
69                 public string b;
70         }
71
72         At the time the assignment expression `a = "hello"' is parsed,
73         it is not know whether a is a class field from this class, or
74         its parents, or whether it is a property access or a variable
75         reference.  The actual meaning of `a' will not be discvored
76         until the semantic analysis phase.
77
78 ** The Tokenizer and the pre-processor
79
80         The tokenizer is contained in the file `cs-tokenizer.cs', and
81         the main entry point is the `token ()' method.  The tokenizer
82         implements the `yyParser.yyInput' interface, which is what the
83         Yacc/Jay parser will use when fetching tokens.  
84
85         Token definitions are generated by jay during the compilation
86         process, and those can be references from the tokenizer class
87         with the `Token.' prefix. 
88
89         Each time a token is returned, the location for the token is
90         recorded into the `Location' property, that can be accessed by
91         the parser.  The parser retrieves the Location properties as
92         it builds its internal representation to allow the semantic
93         analysis phase to produce error messages that can pin point
94         the location of the problem. 
95
96         Some tokens have values associated with it, for example when
97         the tokenizer encounters a string, it will return a
98         LITERAL_STRING token, and the actual string parsed will be
99         available in the `Value' property of the tokenizer.   The same
100         mechanism is used to return integers and floating point
101         numbers. 
102
103         C# has a limited pre-processor that allows conditional
104         compilation, but it is not as fully featured as the C
105         pre-processor, and most notably, macros are missing.  This
106         makes it simple to implement in very few lines and mesh it
107         with the tokenizer.
108
109         The `handle_preprocessing_directive' method in the tokenizer
110         handles all the pre-processing, and it is invoked when the '#'
111         symbol is found as the first token in a line.  
112
113         The state of the pre-processor is contained in a Stack called
114         `ifstack', this state is used to track the if/elif/else/endif
115         nesting and the current state.  The state is encoded in the
116         top of the stack as a number of values `TAKING',
117         `TAKEN_BEFORE', `ELSE_SEEN', `PARENT_TAKING'.
118
119 ** Locations
120
121         Locations are encoded as a 32-bit number (the Location
122         struct) that map each input source line to a linear number.
123         As new files are parsed, the Location manager is informed of
124         the new file, to allow it to map back from an int constant to
125         a file + line number. 
126
127         The tokenizer also tracks the column number for a token, but
128         this is currently not being used or encoded.  It could
129         probably be encoded in the low 9 bits, allowing for columns
130         from 1 to 512 to be encoded.
131
132 * The Parser
133
134         The parser is written using Jay, which is a port of Berkeley
135         Yacc to Java, that I later ported to C#. 
136
137         Many people ask why the grammar of the parser does not match
138         exactly the definition in the C# specification.  The reason is
139         simple: the grammar in the C# specification is designed to be
140         consumed by humans, and not by a computer program.  Before
141         you can feed this grammar to a tool, it needs to be simplified
142         to allow the tool to generate a correct parser for it. 
143
144         In the Mono C# compiler, we use a class for each of the
145         statements and expressions in the C# language.  For example,
146         there is a `While' class for the the `while' statement, a
147         `Cast' class to represent a cast expression and so on.
148
149         There is a Statement class, and an Expression class which are
150         the base classes for statements and expressions. 
151
152 ** Namespaces
153         
154         Using list.
155
156 * Internal Representation
157
158 ** Expressions
159
160         Expressions in the Mono C# compiler are represented by the
161         `Expression' class.  This is an abstract class that particular
162         kinds of expressions have to inherit from and override a few
163         methods.
164
165         The base Expression class contains two fields: `eclass' which
166         represents the "expression classification" (from the C#
167         specs) and the type of the expression.
168
169         Expressions have to be resolved before they are can be used.
170         The resolution process is implemented by overriding the
171         `DoResolve' method.  The DoResolve method has to set the
172         `eclass' field and the `type', perform all error checking and
173         computations that will be required for code generation at this
174         stage. 
175
176         The return value from DoResolve is an expression.  Most of the
177         time an Expression derived class will return itself (return
178         this) when it will handle the emission of the code itself, or
179         it can return a new Expression.
180
181         For example, the parser will create an "ElementAccess" class
182         for:
183
184                 a [0] = 1;
185
186         During the resolution process, the compiler will know whether
187         this is an array access, or an indexer access.  And will
188         return either an ArrayAccess expression or an IndexerAccess
189         expression from DoResolve.
190
191
192
193 *** The Expression Class
194
195         The utility functions that can be called by all children of
196         Expression. 
197
198 ** Constants
199
200         Constants in the Mono C# compiler are reprensented by the
201         abstract class `Constant'.  Constant is in turn derived from
202         Expression.  The base constructor for `Constant' just sets the
203         expression class to be an `ExprClass.Value', Constants are
204         born in a fully resolved state, so the `DoResolve' method
205         only returns a reference to itself.
206
207         Each Constant should implement the `GetValue' method which
208         returns an object with the actual contents of this constant, a
209         utility virtual method called `AsString' is used to render a
210         diagnostic message.  The output of AsString is shown to the
211         developer when an error or a warning is triggered.
212
213         Constant classes also participate in the constant folding
214         process.  Constant folding is invoked by those expressions
215         that can be constant folded invoking the functionality
216         provided by the ConstantFold class (cfold.cs).   
217
218         Each Constant has to implement a number of methods to convert
219         itself into a Constant of a different type.  These methods are
220         called `ConvertToXXXX' and they are invoked by the wrapper
221         functions `ToXXXX'.  These methods only perform implicit
222         numeric conversions.  Explicit conversions are handled by the
223         `Cast' expression class.
224
225         The `ToXXXX' methods are the entry point, and provide error
226         reporting in case a conversion can not be performed.
227
228 ** Constant Folding
229
230         The C# language requires constant folding to be implemented.
231         Constant folding is hooked up in the Binary.Resolve method.
232         If both sides of a binary expression are constants, then the
233         ConstantFold.BinaryFold routine is invoked.  
234
235         This routine implements all the binary operator rules, it
236         is a mirror of the code that generates code for binary
237         operators, but that has to be evaluated at runtime.
238
239         If the constants can be folded, then a new constant expression
240         is returned, if not, then the null value is returned (for
241         example, the concatenation of a string constant and a numeric
242         constant is deferred to the runtime). 
243
244 ** Side effects
245
246         a [i++]++ 
247         a [i++] += 5;
248
249 ** Statements
250
251 * The semantic analysis 
252
253         Hence, the compiler driver has to parse all the input files.
254         Once all the input files have been parsed, and an internal
255         representation of the input program exists, the following
256         steps are taken:
257
258                 * The interface hierarchy is resolved first.
259                   As the interface hierarchy is constructed,
260                   TypeBuilder objects are created for each one of
261                   them. 
262
263                 * Classes and structure hierarchy is resolved next,
264                   TypeBuilder objects are created for them.
265
266                 * Constants and enumerations are resolved.
267
268                 * Method, indexer, properties, delegates and event
269                   definitions are now entered into the TypeBuilders. 
270
271                 * Elements that contain code are now invoked to
272                   perform semantic analysis and code generation.
273
274 * Output Generation
275
276 ** Code Generation
277
278         The EmitContext class is created any time that IL code is to
279         be generated (methods, properties, indexers and attributes all
280         create EmitContexts).  
281
282         The EmitContext keeps track of the current namespace and type
283         container.  This is used during name resolution.
284
285         An EmitContext is used by the underlying code generation
286         facilities to track the state of code generation:
287
288                 * The ILGenerator used to generate code for this
289                   method.
290
291                 * The TypeContainer where the code lives, this is used
292                   to access the TypeBuilder.
293
294                 * The DeclSpace, this is used to resolve names through
295                   RootContext.LookupType in the various statements and
296                   expressions. 
297         
298         Code generation state is also tracked here:
299
300                 * CheckState:
301
302                   This variable tracks the `checked' state of the
303                   compilation, it controls whether we should generate
304                   code that does overflow checking, or if we generate
305                   code that ignores overflows.
306                   
307                   The default setting comes from the command line
308                   option to generate checked or unchecked code plus
309                   any source code changes using the checked/unchecked
310                   statements or expressions.  Contrast this with the
311                   ConstantCheckState flag.
312
313                 * ConstantCheckState
314                   
315                   The constant check state is always set to `true' and
316                   cant be changed from the command line.  The source
317                   code can change this setting with the `checked' and
318                   `unchecked' statements and expressions.
319                   
320                 * IsStatic
321                   
322                   Whether we are emitting code inside a static or
323                   instance method
324                   
325                 * ReturnType
326                   
327                   The value that is allowed to be returned or NULL if
328                   there is no return type.
329                   
330                   
331                 * ContainerType
332                   
333                   Points to the Type (extracted from the
334                   TypeContainer) that declares this body of code
335                   summary>
336                   
337                   
338                 * IsConstructor
339                   
340                   Whether this is generating code for a constructor
341
342                 * CurrentBlock
343
344                   Tracks the current block being generated.
345
346                 * ReturnLabel;
347                 
348                   The location where return has to jump to return the
349                   value
350
351         A few variables are used to track the state for checking in
352         for loops, or in try/catch statements:
353
354                 * InFinally
355                 
356                   Whether we are in a Finally block
357
358                 * InTry
359
360                   Whether we are in a Try block
361
362                 * InCatch
363                   
364                   Whether we are in a Catch block
365
366                 * InUnsafe
367                   Whether we are inside an unsafe block
368                 
369 * Miscelaneous
370
371 ** Error Processing.
372
373         Errors are reported during the various stages of the
374         compilation process.  The compiler stops its processing if
375         there are errors between the various phases.  This simplifies
376         the code, because it is safe to assume always that the data
377         structures that the compiler is operating on are always
378         consistent.
379
380         The error codes in the Mono C# compiler are the same as those
381         found in the Microsoft C# compiler, with a few exceptions
382         (where we report a few more errors, those are documented in
383         mcs/errors/errors.txt).  The goal is to reduce confussion to
384         the users, and also to help us track the progress of the
385         compiler in terms of the errors we report. 
386
387         The Report class provides error and warning display functions,
388         and also keeps an error count which is used to stop the
389         compiler between the phases.  
390
391         A couple of debugging tools are available here, and are useful
392         when extending or fixing bugs in the compiler.  If the
393         `--fatal' flag is passed to the compiler, the Report.Error
394         routine will throw an exception.  This can be used to pinpoint
395         the location of the bug and examine the variables around the
396         error location.
397
398         Warnings can be turned into errors by using the `--werror'
399         flag to the compiler. 
400
401         The report class also ignores warnings that have been
402         specified on the command line with the `--nowarn' flag.
403
404         Finally, code in the compiler uses the global variable
405         RootContext.WarningLevel in a few places to decide whether a
406         warning is worth reporting to the user or not.  
407