Forgot this file
[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 following list will give you an idea of where the
55         different pieces of the compiler live:
56
57         Infrastructure:
58
59             driver.cs:
60                 This drives the compilation process: loading of
61                 command line options; parsing the inputs files;
62                 loading the referenced assemblies; resolving the type
63                 hierarchy and emitting the code. 
64
65             codegen.cs:
66                 
67                 The state tracking for code generation. 
68
69             attribute.cs:
70
71                 Code to do semantic analysis and emit the attributes
72                 is here.
73
74             rootcontext.cs:
75
76                 Keeps track of the types defined in the source code,
77                 as well as the assemblies loaded.  
78
79             typemanager.cs:
80
81                 This contains the MCS type system.
82
83             report.cs:
84
85                 Error and warning reporting methods.
86
87             support.cs:
88
89                 Assorted utility functions used by the compiler.
90                 
91         Parsing
92
93             cs-tokenizer.cs:
94
95                 The tokenizer for the C# language, it includes also
96                 the C# pre-processor.
97
98             cs-parser.jay, cs-parser.cs:
99
100                 The parser is implemented using a C# port of the Yacc
101                 parser.  The parser lives in the cs-parser.jay file,
102                 and cs-parser.cs is the generated parser.
103
104             location.cs:
105
106                 The `location' structure is a compact representation
107                 of a file, line, column where a token, or a high-level
108                 construct appears.  This is used to report errors.
109
110         Expressions:
111           
112             ecore.cs
113         
114                 Basic expression classes, and interfaces most shared
115                 code and static methods are here.
116
117             expression.cs:
118
119                 Most of the different kinds of expressions classes
120                 live in this file.
121
122             assign.cs:
123
124                 The assignment expression got its own file.
125
126             constant.cs:
127
128                 The classes that represent the constant expressions.
129
130             literal.cs
131                 
132                 Literals are constants that have been entered manually
133                 in the source code, like `1' or `true'.  The compiler
134                 needs to tell constants from literals apart during the
135                 compilation process, as literals sometimes have some
136                 implicit extra conversions defined for them. 
137
138             cfold.cs:
139
140                 The constant folder for binary expressions.
141
142         Statements
143
144             statement.cs:
145
146                 All of the abstract syntax tree elements for
147                 statements live in this file.  This also drives the
148                 semantic analysis process.
149
150         Declarations, Classes, Structs, Enumerations
151
152             decl.cs
153
154                 This contains the base class for Members and
155                 Declaration Spaces.   A declaration space introduces
156                 new names in types, so classes, structs, delegates and
157                 enumerations derive from it.
158
159             class.cs:
160                 
161                 Methods for holding and defining class and struct
162                 information, and every member that can be in these
163                 (methods, fields, delegates, events, etc).
164
165                 The most interesting type here is the `TypeContainer'
166                 which is a derivative of the `DeclSpace' 
167
168             delegate.cs:
169
170                 Handles delegate definition and use. 
171
172             enum.cs:
173
174                 Handles enumerations.
175
176             interface.cs:
177
178                 Holds and defines interfaces.  All the code related to
179                 interface declaration lives here.
180
181             parameter.cs:
182
183                 During the parsing process, the compiler encapsulates
184                 parameters in the Parameter and Parameters classes.
185                 These classes provide definition and resolution tools
186                 for them.
187
188             pending.cs:
189
190                 Routines to track pending implementations of abstract
191                 methods and interfaces.  These are used by the
192                 TypeContainer-derived classes to track whether every
193                 method required is implemented.
194
195         
196 * The parsing process
197
198         All the input files that make up a program need to be read in
199         advance, because C# allows declarations to happen after an
200         entity is used, for example, the following is a valid program:
201
202         class X : Y {
203                 static void Main ()
204                 {
205                         a = "hello"; b = "world";
206                 }
207                 string a;
208         }
209         
210         class Y {
211                 public string b;
212         }
213
214         At the time the assignment expression `a = "hello"' is parsed,
215         it is not know whether a is a class field from this class, or
216         its parents, or whether it is a property access or a variable
217         reference.  The actual meaning of `a' will not be discvored
218         until the semantic analysis phase.
219
220 ** The Tokenizer and the pre-processor
221
222         The tokenizer is contained in the file `cs-tokenizer.cs', and
223         the main entry point is the `token ()' method.  The tokenizer
224         implements the `yyParser.yyInput' interface, which is what the
225         Yacc/Jay parser will use when fetching tokens.  
226
227         Token definitions are generated by jay during the compilation
228         process, and those can be references from the tokenizer class
229         with the `Token.' prefix. 
230
231         Each time a token is returned, the location for the token is
232         recorded into the `Location' property, that can be accessed by
233         the parser.  The parser retrieves the Location properties as
234         it builds its internal representation to allow the semantic
235         analysis phase to produce error messages that can pin point
236         the location of the problem. 
237
238         Some tokens have values associated with it, for example when
239         the tokenizer encounters a string, it will return a
240         LITERAL_STRING token, and the actual string parsed will be
241         available in the `Value' property of the tokenizer.   The same
242         mechanism is used to return integers and floating point
243         numbers. 
244
245         C# has a limited pre-processor that allows conditional
246         compilation, but it is not as fully featured as the C
247         pre-processor, and most notably, macros are missing.  This
248         makes it simple to implement in very few lines and mesh it
249         with the tokenizer.
250
251         The `handle_preprocessing_directive' method in the tokenizer
252         handles all the pre-processing, and it is invoked when the '#'
253         symbol is found as the first token in a line.  
254
255         The state of the pre-processor is contained in a Stack called
256         `ifstack', this state is used to track the if/elif/else/endif
257         nesting and the current state.  The state is encoded in the
258         top of the stack as a number of values `TAKING',
259         `TAKEN_BEFORE', `ELSE_SEEN', `PARENT_TAKING'.
260
261 ** Locations
262
263         Locations are encoded as a 32-bit number (the Location
264         struct) that map each input source line to a linear number.
265         As new files are parsed, the Location manager is informed of
266         the new file, to allow it to map back from an int constant to
267         a file + line number.
268
269         Prior to parsing/tokenizing any source files, the compiler
270         generates a list of all the source files and then reserves the
271         low N bits of the location to hold the source file, where N is
272         large enough to hold at least twice as many source files as were
273         specified on the command line (to allow for a #line in each file).
274         The upper 32-N bits are the line number in that file.
275
276         The token 0 is reserved for ``anonymous'' locations, ie. if we
277         don't know the location (Location.Null).
278
279         The tokenizer also tracks the column number for a token, but
280         this is currently not being used or encoded.  It could
281         probably be encoded in the low 9 bits, allowing for columns
282         from 1 to 512 to be encoded.
283
284 * The Parser
285
286         The parser is written using Jay, which is a port of Berkeley
287         Yacc to Java, that I later ported to C#. 
288
289         Many people ask why the grammar of the parser does not match
290         exactly the definition in the C# specification.  The reason is
291         simple: the grammar in the C# specification is designed to be
292         consumed by humans, and not by a computer program.  Before
293         you can feed this grammar to a tool, it needs to be simplified
294         to allow the tool to generate a correct parser for it. 
295
296         In the Mono C# compiler, we use a class for each of the
297         statements and expressions in the C# language.  For example,
298         there is a `While' class for the the `while' statement, a
299         `Cast' class to represent a cast expression and so on.
300
301         There is a Statement class, and an Expression class which are
302         the base classes for statements and expressions. 
303
304 ** Namespaces
305         
306         Using list.
307
308 * Internal Representation
309
310 ** Expressions
311
312         Expressions in the Mono C# compiler are represented by the
313         `Expression' class.  This is an abstract class that particular
314         kinds of expressions have to inherit from and override a few
315         methods.
316
317         The base Expression class contains two fields: `eclass' which
318         represents the "expression classification" (from the C#
319         specs) and the type of the expression.
320
321         Expressions have to be resolved before they are can be used.
322         The resolution process is implemented by overriding the
323         `DoResolve' method.  The DoResolve method has to set the
324         `eclass' field and the `type', perform all error checking and
325         computations that will be required for code generation at this
326         stage. 
327
328         The return value from DoResolve is an expression.  Most of the
329         time an Expression derived class will return itself (return
330         this) when it will handle the emission of the code itself, or
331         it can return a new Expression.
332
333         For example, the parser will create an "ElementAccess" class
334         for:
335
336                 a [0] = 1;
337
338         During the resolution process, the compiler will know whether
339         this is an array access, or an indexer access.  And will
340         return either an ArrayAccess expression or an IndexerAccess
341         expression from DoResolve.
342
343
344
345 *** The Expression Class
346
347         The utility functions that can be called by all children of
348         Expression. 
349
350 ** Constants
351
352         Constants in the Mono C# compiler are reprensented by the
353         abstract class `Constant'.  Constant is in turn derived from
354         Expression.  The base constructor for `Constant' just sets the
355         expression class to be an `ExprClass.Value', Constants are
356         born in a fully resolved state, so the `DoResolve' method
357         only returns a reference to itself.
358
359         Each Constant should implement the `GetValue' method which
360         returns an object with the actual contents of this constant, a
361         utility virtual method called `AsString' is used to render a
362         diagnostic message.  The output of AsString is shown to the
363         developer when an error or a warning is triggered.
364
365         Constant classes also participate in the constant folding
366         process.  Constant folding is invoked by those expressions
367         that can be constant folded invoking the functionality
368         provided by the ConstantFold class (cfold.cs).   
369
370         Each Constant has to implement a number of methods to convert
371         itself into a Constant of a different type.  These methods are
372         called `ConvertToXXXX' and they are invoked by the wrapper
373         functions `ToXXXX'.  These methods only perform implicit
374         numeric conversions.  Explicit conversions are handled by the
375         `Cast' expression class.
376
377         The `ToXXXX' methods are the entry point, and provide error
378         reporting in case a conversion can not be performed.
379
380 ** Constant Folding
381
382         The C# language requires constant folding to be implemented.
383         Constant folding is hooked up in the Binary.Resolve method.
384         If both sides of a binary expression are constants, then the
385         ConstantFold.BinaryFold routine is invoked.  
386
387         This routine implements all the binary operator rules, it
388         is a mirror of the code that generates code for binary
389         operators, but that has to be evaluated at runtime.
390
391         If the constants can be folded, then a new constant expression
392         is returned, if not, then the null value is returned (for
393         example, the concatenation of a string constant and a numeric
394         constant is deferred to the runtime). 
395
396 ** Side effects
397
398         a [i++]++ 
399         a [i++] += 5;
400
401 ** Statements
402
403 * The semantic analysis 
404
405         Hence, the compiler driver has to parse all the input files.
406         Once all the input files have been parsed, and an internal
407         representation of the input program exists, the following
408         steps are taken:
409
410                 * The interface hierarchy is resolved first.
411                   As the interface hierarchy is constructed,
412                   TypeBuilder objects are created for each one of
413                   them. 
414
415                 * Classes and structure hierarchy is resolved next,
416                   TypeBuilder objects are created for them.
417
418                 * Constants and enumerations are resolved.
419
420                 * Method, indexer, properties, delegates and event
421                   definitions are now entered into the TypeBuilders. 
422
423                 * Elements that contain code are now invoked to
424                   perform semantic analysis and code generation.
425
426 * Output Generation
427
428 ** Code Generation
429
430         The EmitContext class is created any time that IL code is to
431         be generated (methods, properties, indexers and attributes all
432         create EmitContexts).  
433
434         The EmitContext keeps track of the current namespace and type
435         container.  This is used during name resolution.
436
437         An EmitContext is used by the underlying code generation
438         facilities to track the state of code generation:
439
440                 * The ILGenerator used to generate code for this
441                   method.
442
443                 * The TypeContainer where the code lives, this is used
444                   to access the TypeBuilder.
445
446                 * The DeclSpace, this is used to resolve names through
447                   RootContext.LookupType in the various statements and
448                   expressions. 
449         
450         Code generation state is also tracked here:
451
452                 * CheckState:
453
454                   This variable tracks the `checked' state of the
455                   compilation, it controls whether we should generate
456                   code that does overflow checking, or if we generate
457                   code that ignores overflows.
458                   
459                   The default setting comes from the command line
460                   option to generate checked or unchecked code plus
461                   any source code changes using the checked/unchecked
462                   statements or expressions.  Contrast this with the
463                   ConstantCheckState flag.
464
465                 * ConstantCheckState
466                   
467                   The constant check state is always set to `true' and
468                   cant be changed from the command line.  The source
469                   code can change this setting with the `checked' and
470                   `unchecked' statements and expressions.
471                   
472                 * IsStatic
473                   
474                   Whether we are emitting code inside a static or
475                   instance method
476                   
477                 * ReturnType
478                   
479                   The value that is allowed to be returned or NULL if
480                   there is no return type.
481                   
482                   
483                 * ContainerType
484                   
485                   Points to the Type (extracted from the
486                   TypeContainer) that declares this body of code
487                   summary>
488                   
489                   
490                 * IsConstructor
491                   
492                   Whether this is generating code for a constructor
493
494                 * CurrentBlock
495
496                   Tracks the current block being generated.
497
498                 * ReturnLabel;
499                 
500                   The location where return has to jump to return the
501                   value
502
503         A few variables are used to track the state for checking in
504         for loops, or in try/catch statements:
505
506                 * InFinally
507                 
508                   Whether we are in a Finally block
509
510                 * InTry
511
512                   Whether we are in a Try block
513
514                 * InCatch
515                   
516                   Whether we are in a Catch block
517
518                 * InUnsafe
519                   Whether we are inside an unsafe block
520                 
521 * Miscelaneous
522
523 ** Error Processing.
524
525         Errors are reported during the various stages of the
526         compilation process.  The compiler stops its processing if
527         there are errors between the various phases.  This simplifies
528         the code, because it is safe to assume always that the data
529         structures that the compiler is operating on are always
530         consistent.
531
532         The error codes in the Mono C# compiler are the same as those
533         found in the Microsoft C# compiler, with a few exceptions
534         (where we report a few more errors, those are documented in
535         mcs/errors/errors.txt).  The goal is to reduce confussion to
536         the users, and also to help us track the progress of the
537         compiler in terms of the errors we report. 
538
539         The Report class provides error and warning display functions,
540         and also keeps an error count which is used to stop the
541         compiler between the phases.  
542
543         A couple of debugging tools are available here, and are useful
544         when extending or fixing bugs in the compiler.  If the
545         `--fatal' flag is passed to the compiler, the Report.Error
546         routine will throw an exception.  This can be used to pinpoint
547         the location of the bug and examine the variables around the
548         error location.
549
550         Warnings can be turned into errors by using the `--werror'
551         flag to the compiler. 
552
553         The report class also ignores warnings that have been
554         specified on the command line with the `--nowarn' flag.
555
556         Finally, code in the compiler uses the global variable
557         RootContext.WarningLevel in a few places to decide whether a
558         warning is worth reporting to the user or not.  
559