Mate/X86CodeGen.hs

   1 {-# LANGUAGE OverloadedStrings #-}
   2 {-# LANGUAGE ForeignFunctionInterface #-}
   3 module Mate.X86CodeGen where
   4
   5 import Data.Binary
   6 import Data.Int
   7 import Data.Maybe
   8 import qualified Data.Map as M
   9 import qualified Data.ByteString.Lazy as B
  10
  11 import Foreign
  12 import Foreign.C.Types
  13
  14 import Text.Printf
  15
  16 import qualified JVM.Assembler as J
  17 import JVM.Assembler hiding (Instruction)
  18 import JVM.ClassFile
  19 import JVM.Converter
  20
  21 import Harpy
  22 import Harpy.X86Disassembler
  23
  24 import Mate.BasicBlocks
  25 import Mate.Utilities
  26
  27 foreign import ccall "dynamic"
  28    code_int :: FunPtr (CInt -> CInt -> IO CInt) -> (CInt -> CInt -> IO CInt)
  29
  30 foreign import ccall "getaddr"
  31   getaddr :: CUInt
  32
  33 foreign import ccall "callertrap"
  34   callertrap :: IO ()
  35
  36 foreign import ccall "register_signal"
  37   register_signal :: IO ()
  38
  39 foreign import ccall "get_cmap"
  40   get_cmap :: IO (Ptr ())
  41
  42 foreign import ccall "set_cmap"
  43   set_cmap :: Ptr () -> IO ()
  44
  45 test_01, test_02, test_03 :: IO ()
  46 test_01 = do
  47   register_signal
  48   (entry, end) <- testCase "./tests/Fib.class" "fib"
  49   let entryFuncPtr = ((castPtrToFunPtr entry) :: FunPtr (CInt -> CInt -> IO CInt))
  50
  51   mapM_ (\x -> do
  52     result <- code_int entryFuncPtr x 0
  53     let iresult :: Int; iresult = fromIntegral result
  54     let kk :: String; kk = if iresult == (fib x) then "OK" else "FAIL (" ++ (show (fib x)) ++ ")"
  55     printf "result of fib(%2d): %3d\t\t%s\n" (fromIntegral x :: Int) iresult kk
  56     ) $ ([0..10] :: [CInt])
  57   printf "patched disasm:\n"
  58   Right newdisasm <- disassembleBlock entry end
  59   mapM_ (putStrLn . showAtt) newdisasm
  60   where
  61     fib :: CInt -> Int
  62     fib n
  63       | n <= 1 = 1
  64       | otherwise = (fib (n - 1)) + (fib (n - 2))
  65
  66
  67 test_02 = do
  68   (entry,_) <- testCase "./tests/While.class" "f"
  69   let entryFuncPtr = ((castPtrToFunPtr entry) :: FunPtr (CInt -> CInt -> IO CInt))
  70   result <- code_int entryFuncPtr 5 4
  71   let iresult :: Int; iresult = fromIntegral result
  72   let kk :: String; kk = if iresult == 15 then "OK" else "FAIL"
  73   printf "result of f(5,4): %3d\t\t%s\n" iresult kk
  74
  75   result2 <- code_int entryFuncPtr 4 3
  76   let iresult2 :: Int; iresult2 = fromIntegral result2
  77   let kk2 :: String; kk2 = if iresult2 == 10 then "OK" else "FAIL"
  78   printf "result of f(4,3): %3d\t\t%s\n" iresult2 kk2
  79
  80
  81 test_03 = do
  82   (entry,_) <- testCase "./tests/While.class" "g"
  83   let entryFuncPtr = ((castPtrToFunPtr entry) :: FunPtr (CInt -> CInt -> IO CInt))
  84   result <- code_int entryFuncPtr 5 4
  85   let iresult :: Int; iresult = fromIntegral result
  86   let kk :: String; kk = if iresult == 15 then "OK" else "FAIL"
  87   printf "result of g(5,4): %3d\t\t%s\n" iresult kk
  88
  89   result2 <- code_int entryFuncPtr 4 3
  90   let iresult2 :: Int; iresult2 = fromIntegral result2
  91   let kk2 :: String; kk2 = if iresult2 == 10 then "OK" else "FAIL"
  92   printf "result of g(4,3): %3d\t\t%s\n" iresult2 kk2
  93
  94
  95 testCase :: String -> B.ByteString -> IO (Ptr Word8, Int)
  96 testCase cf method = do
  97       cls <- parseClassFile cf
  98       hmap <- parseMethod cls method
  99       printMapBB hmap
 100       case hmap of
 101         Nothing -> error "sorry, no code generation"
 102         Just hmap' -> do
 103               let ebb = emitFromBB cls hmap'
 104               (_, Right ((entry, bbstarts, end, _), disasm)) <- runCodeGen ebb () ()
 105               let int_entry = ((fromIntegral $ ptrToIntPtr entry) :: Int)
 106               printf "disasm:\n"
 107               mapM_ (putStrLn . showAtt) disasm
 108               printf "basicblocks addresses:\n"
 109               let b = map (\(x,y) -> (x,y + int_entry)) $ M.toList bbstarts
 110               mapM_ (\(x,y) -> printf "\tBasicBlock %2d starts at 0x%08x\n" x y) b
 111               return (entry, end)
 112
 113 type EntryPoint = Ptr Word8
 114 type EntryPointOffset = Int
 115 type PatchInfo = (BlockID, EntryPointOffset)
 116
 117 type BBStarts = M.Map BlockID Int
 118
 119 type CompileInfo = (EntryPoint, BBStarts, Int, CMap)
 120
 121 -- B.ByteString: encoded name: <Class>.<methodname><signature>
 122 -- Class Resolved: classfile
 123 -- Word16: index of invoke-instruction
 124 type MethodInfo = (B.ByteString, Class Resolved, Word16)
 125
 126 -- Word32 = point of method call in generated code
 127 -- MethodInfo = relevant information about callee
 128 type CMap = M.Map Word32 MethodInfo
 129
 130
 131 emitFromBB :: Class Resolved -> MapBB -> CodeGen e s (CompileInfo, [Instruction])
 132 emitFromBB cls hmap =  do
 133         llmap <- sequence [newNamedLabel ("bb_" ++ show x) | (x,_) <- M.toList hmap]
 134         let lmap = zip (Prelude.fst $ unzip $ M.toList hmap) llmap
 135         ep <- getEntryPoint
 136         push ebp
 137         mov ebp esp
 138
 139         (calls, bbstarts) <- efBB (0,(hmap M.! 0)) M.empty M.empty lmap
 140         d <- disassemble
 141         end <- getCodeOffset
 142         return ((ep, bbstarts, end, calls), d)
 143   where
 144   getLabel :: BlockID -> [(BlockID, Label)] -> Label
 145   getLabel _ [] = error "label not found!"
 146   getLabel i ((x,l):xs) = if i==x then l else getLabel i xs
 147
 148   efBB :: (BlockID, BasicBlock) -> CMap -> BBStarts -> [(BlockID, Label)] -> CodeGen e s (CMap, BBStarts)
 149   efBB (bid, bb) calls bbstarts lmap =
 150         if M.member bid bbstarts then
 151           return (calls, bbstarts)
 152         else do
 153           bb_offset <- getCodeOffset
 154           let bbstarts' = M.insert bid bb_offset bbstarts
 155           defineLabel $ getLabel bid lmap
 156           cs <- mapM emit' $ code bb
 157           let calls' = calls `M.union` (M.fromList $ catMaybes cs)
 158           case successor bb of
 159             Return -> return (calls', bbstarts')
 160             OneTarget t -> do
 161               efBB (t, hmap M.! t) calls' bbstarts' lmap
 162             TwoTarget t1 t2 -> do
 163               (calls'', bbstarts'') <- efBB (t1, hmap M.! t1) calls' bbstarts' lmap
 164               efBB (t2, hmap M.! t2) calls'' bbstarts'' lmap
 165     -- TODO(bernhard): also use metainformation
 166     -- TODO(bernhard): implement `emit' as function which accepts a list of
 167     --                 instructions, so we can use patterns for optimizations
 168     where
 169     emit' :: J.Instruction -> CodeGen e s (Maybe (Word32, MethodInfo))
 170     emit' (INVOKESTATIC cpidx) = do
 171         ep <- getEntryPoint
 172         let w32_ep = (fromIntegral $ ptrToIntPtr ep) :: Word32
 173         let l = buildMethodID cls cpidx
 174         calladdr <- getCodeOffset
 175         let w32_calladdr = w32_ep + (fromIntegral calladdr) :: Word32
 176         newNamedLabel (toString l) >>= defineLabel
 177         -- TODO(bernhard): better try SIGILL instead of SIGSEGV?
 178         mov (Addr 0) eax
 179         -- discard arguments (TODO(bernhard): don't hardcode it)
 180         add esp (4 :: Word32)
 181         -- push result on stack (TODO(bernhard): if any)
 182         push eax
 183         return $ Just $ (w32_calladdr, (l, cls, cpidx))
 184     emit' insn = emit insn >> return Nothing
 185
 186     emit :: J.Instruction -> CodeGen e s ()
 187     emit POP = do -- print dropped value
 188         ep <- getEntryPoint
 189         let w32_ep = (fromIntegral $ ptrToIntPtr ep) :: Word32
 190         -- '5' is the size of the `call' instruction ( + immediate)
 191         calladdr <- getCodeOffset
 192         let w32_calladdr = 5 + w32_ep + (fromIntegral calladdr) :: Word32
 193         let trapaddr = (fromIntegral getaddr :: Word32)
 194         call (trapaddr - w32_calladdr)
 195         add esp (4 :: Word32)
 196     emit (BIPUSH val) = push ((fromIntegral val) :: Word32)
 197     emit (ICONST_0) = push (0 :: Word32)
 198     emit (ICONST_1) = push (1 :: Word32)
 199     emit (ICONST_2) = push (2 :: Word32)
 200     emit (ICONST_5) = push (5 :: Word32)
 201     emit (ILOAD_ x) = do
 202         push (Disp (cArgs_ x), ebp)
 203     emit (ISTORE_ x) = do
 204         pop eax
 205         mov (Disp (cArgs_ x), ebp) eax
 206     emit IADD = do pop ebx; pop eax; add eax ebx; push eax
 207     emit ISUB = do pop ebx; pop eax; sub eax ebx; push eax
 208     emit IMUL = do pop ebx; pop eax; mul ebx; push eax
 209     emit (IINC x imm) = do
 210         add (Disp (cArgs x), ebp) (s8_w32 imm)
 211
 212     emit (IF_ICMP cond _) = do
 213         pop eax -- value2
 214         pop ebx -- value1
 215         cmp ebx eax -- intel syntax is swapped (TODO(bernhard): test that plz)
 216         let sid = case successor bb of TwoTarget _ t -> t; _ -> error "bad"
 217         let l = getLabel sid lmap
 218         case cond of
 219           C_EQ -> je  l; C_NE -> jne l
 220           C_LT -> jl  l; C_GT -> jg  l
 221           C_GE -> jge l; C_LE -> jle l
 222
 223     emit (IF cond _) = do
 224         pop eax -- value1
 225         cmp eax (0 :: Word32) -- TODO(bernhard): test that plz
 226         let sid = case successor bb of TwoTarget _ t -> t; _ -> error "bad"
 227         let l = getLabel sid lmap
 228         case cond of
 229           C_EQ -> je  l; C_NE -> jne l
 230           C_LT -> jl  l; C_GT -> jg  l
 231           C_GE -> jge l; C_LE -> jle l
 232
 233     emit (GOTO _ ) = do
 234         let sid = case successor bb of OneTarget t -> t; _ -> error "bad"
 235         jmp $ getLabel sid lmap
 236
 237     emit RETURN = do mov esp ebp; pop ebp; ret
 238     emit IRETURN = do
 239         pop eax
 240         mov esp ebp
 241         pop ebp
 242         ret
 243     emit _ = do cmovbe eax eax -- dummy
 244
 245   cArgs x = (8 + 4 * (fromIntegral x))
 246   cArgs_ x = (8 + 4 * case x of I0 -> 0; I1 -> 1; I2 -> 2; I3 -> 3)
 247
 248   -- sign extension from w8 to w32 (over s8)
 249   --   unfortunately, hs-java is using Word8 everywhere (while
 250   --   it should be Int8 actually)
 251   s8_w32 :: Word8 -> Word32
 252   s8_w32 w8 = fromIntegral s8
 253     where s8 = (fromIntegral w8) :: Int8