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             FallThrough t -> do
 161               efBB (t, hmap M.! t) calls' bbstarts' lmap
 162             OneTarget t -> do
 163               efBB (t, hmap M.! t) calls' bbstarts' lmap
 164             TwoTarget t1 t2 -> do
 165               (calls'', bbstarts'') <- efBB (t1, hmap M.! t1) calls' bbstarts' lmap
 166               efBB (t2, hmap M.! t2) calls'' bbstarts'' lmap
 167     -- TODO(bernhard): also use metainformation
 168     -- TODO(bernhard): implement `emit' as function which accepts a list of
 169     --                 instructions, so we can use patterns for optimizations
 170     where
 171     emit' :: J.Instruction -> CodeGen e s (Maybe (Word32, MethodInfo))
 172     emit' (INVOKESTATIC cpidx) = do
 173         ep <- getEntryPoint
 174         let w32_ep = (fromIntegral $ ptrToIntPtr ep) :: Word32
 175         let l = buildMethodID cls cpidx
 176         calladdr <- getCodeOffset
 177         let w32_calladdr = w32_ep + (fromIntegral calladdr) :: Word32
 178         newNamedLabel (toString l) >>= defineLabel
 179         -- TODO(bernhard): better try SIGILL instead of SIGSEGV?
 180         mov (Addr 0) eax
 181         -- discard arguments (TODO(bernhard): don't hardcode it)
 182         add esp (4 :: Word32)
 183         -- push result on stack (TODO(bernhard): if any)
 184         push eax
 185         return $ Just $ (w32_calladdr, (l, cls, cpidx))
 186     emit' insn = emit insn >> return Nothing
 187
 188     emit :: J.Instruction -> CodeGen e s ()
 189     emit POP = do -- print dropped value
 190         ep <- getEntryPoint
 191         let w32_ep = (fromIntegral $ ptrToIntPtr ep) :: Word32
 192         -- '5' is the size of the `call' instruction ( + immediate)
 193         calladdr <- getCodeOffset
 194         let w32_calladdr = 5 + w32_ep + (fromIntegral calladdr) :: Word32
 195         let trapaddr = (fromIntegral getaddr :: Word32)
 196         call (trapaddr - w32_calladdr)
 197         add esp (4 :: Word32)
 198     emit (BIPUSH val) = push ((fromIntegral val) :: Word32)
 199     emit (ICONST_0) = push (0 :: Word32)
 200     emit (ICONST_1) = push (1 :: Word32)
 201     emit (ICONST_2) = push (2 :: Word32)
 202     emit (ICONST_5) = push (5 :: Word32)
 203     emit (ILOAD_ x) = do
 204         push (Disp (cArgs_ x), ebp)
 205     emit (ISTORE_ x) = do
 206         pop eax
 207         mov (Disp (cArgs_ x), ebp) eax
 208     emit IADD = do pop ebx; pop eax; add eax ebx; push eax
 209     emit ISUB = do pop ebx; pop eax; sub eax ebx; push eax
 210     emit IMUL = do pop ebx; pop eax; mul ebx; push eax
 211     emit (IINC x imm) = do
 212         add (Disp (cArgs x), ebp) (s8_w32 imm)
 213
 214     emit (IF_ICMP cond _) = do
 215         pop eax -- value2
 216         pop ebx -- value1
 217         cmp ebx eax -- intel syntax is swapped (TODO(bernhard): test that plz)
 218         let sid = case successor bb of TwoTarget _ t -> t; _ -> error "bad"
 219         let l = getLabel sid lmap
 220         case cond of
 221           C_EQ -> je  l; C_NE -> jne l
 222           C_LT -> jl  l; C_GT -> jg  l
 223           C_GE -> jge l; C_LE -> jle l
 224
 225     emit (IF cond _) = do
 226         pop eax -- value1
 227         cmp eax (0 :: Word32) -- TODO(bernhard): test that plz
 228         let sid = case successor bb of TwoTarget _ t -> t; _ -> error "bad"
 229         let l = getLabel sid lmap
 230         case cond of
 231           C_EQ -> je  l; C_NE -> jne l
 232           C_LT -> jl  l; C_GT -> jg  l
 233           C_GE -> jge l; C_LE -> jle l
 234
 235     emit (GOTO _ ) = do
 236         let sid = case successor bb of OneTarget t -> t; _ -> error "bad"
 237         jmp $ getLabel sid lmap
 238
 239     emit RETURN = do mov esp ebp; pop ebp; ret
 240     emit IRETURN = do
 241         pop eax
 242         mov esp ebp
 243         pop ebp
 244         ret
 245     emit _ = do cmovbe eax eax -- dummy
 246
 247   cArgs x = (8 + 4 * (fromIntegral x))
 248   cArgs_ x = (8 + 4 * case x of I0 -> 0; I1 -> 1; I2 -> 2; I3 -> 3)
 249
 250   -- sign extension from w8 to w32 (over s8)
 251   --   unfortunately, hs-java is using Word8 everywhere (while
 252   --   it should be Int8 actually)
 253   s8_w32 :: Word8 -> Word32
 254   s8_w32 w8 = fromIntegral s8
 255     where s8 = (fromIntegral w8) :: Int8