basicblock: using arrows
[mate.git] / Mate / BasicBlocks.hs
index fdb6b22ab02994a1fa43ad03a236258c23796e6e..e81282022ceb9ba2b7f423bb54ea7934f0d5017e 100644 (file)
 {-# LANGUAGE OverloadedStrings #-}
 module Mate.BasicBlocks(
   BlockID,
-  BasicBlock (..),
-  BBEnd (..),
+  BasicBlock,
+  BBEnd,
   MapBB,
+  Method,
   printMapBB,
-  parseMethod
+  parseMethod,
+  testCFG -- added by hs to perform benches from outside
   )where
 
-import Data.Binary
+import Data.Binary hiding (get)
 import Data.Int
-import qualified Data.Map as H
-import System.Environment
 import qualified Data.Map as M
 import qualified Data.ByteString.Lazy as B
+import Data.Maybe
+import Control.Monad.State
+import Control.Applicative
+import Control.Arrow
 
-import JVM.Common
 import JVM.ClassFile
 import JVM.Converter
-import JVM.Dump
 import JVM.Assembler
 
-import Debug.Trace
-
+import Mate.Types
+import Mate.Debug
 import Mate.Utilities
 
-type Name       = String -- use "virtual register id" instead?
-data Type       = JInt | JFloat -- add more
-type Variable   = (Type,Name)
-
-type BlockID = Int
--- Represents a CFG node
-data BasicBlock = BasicBlock {
-                     -- inputs  :: [Variable],
-                     -- outputs :: [Variable],
-                     code    :: [Instruction],
-                     successor :: BBEnd }
-
--- describes (leaving) edges of a CFG node
-data BBEnd = Return | OneTarget BlockID | TwoTarget BlockID BlockID deriving Show
+-- (offset in bytecode, offset to jump target, ins)
+type OffIns = (Int, Maybe BBEnd, Instruction)
 
-type MapBB = H.Map BlockID BasicBlock
+type Targets = [BlockID]
+type BBState = Targets
+type AnalyseState = State BBState [OffIns]
 
--- for immediate representation for determine BBs
-type Offset = (Int, Maybe BBEnd) -- (offset in bytecode, offset to jump target)
-type OffIns = (Offset, Instruction)
-
-
-printMapBB :: Maybe MapBB -> IO ()
-printMapBB Nothing = putStrLn "No BasicBlock"
-printMapBB (Just hmap) = do
-                     putStr "BlockIDs: "
-                     let keys = fst $ unzip $ H.toList hmap
-                     mapM_ (putStr . (flip (++)) ", " . show) keys
-                     putStrLn "\n\nBasicBlocks:"
-                     printMapBB' keys hmap
-  where
-  printMapBB' :: [BlockID] -> MapBB -> IO ()
-  printMapBB' [] _ = return ()
-  printMapBB' (i:is) hmap = case H.lookup i hmap of
-                  Just bb -> do
-                             putStrLn $ "Block " ++ (show i)
-                             mapM_ putStrLn (map ((++) "\t" . show) $ code bb)
-                             case successor bb of
-                               Return -> putStrLn ""
-                               OneTarget t1 -> putStrLn $ "Sucessor: " ++ (show t1) ++ "\n"
-                               TwoTarget t1 t2 -> putStrLn $ "Sucessor: " ++ (show t1) ++ ", " ++ (show t2) ++ "\n"
-                             printMapBB' is hmap
-                  Nothing -> error $ "BlockID " ++ show i ++ " not found."
-
-testInstance :: String -> B.ByteString -> IO ()
-testInstance cf method = do
-                      hmap <- parseMethod cf method
-                      printMapBB hmap
 
+printMapBB :: MapBB -> IO ()
+printMapBB hmap = do
+  printfBb "BlockIDs: "
+  let keys = M.keys hmap
+  mapM_ (printfBb . flip (++) ", " . show) keys
+  printfBb "\n\nBasicBlocks:\n"
+  printMapBB' keys hmap
+    where
+      printMapBB' :: [BlockID] -> MapBB -> IO ()
+      printMapBB' [] _ = return ()
+      printMapBB' (i:is) hmap' = case M.lookup i hmap' of
+        Just bb -> do
+          printfBb $ "Block " ++ show i ++ "\n"
+          mapM_ (printfBb . flip (++) "\n" . (++) "\t" . show) $ code bb
+          printfBb $ case successor bb of
+            Return -> ""
+            FallThrough t1 -> "Sucessor: " ++ show t1 ++ "\n"
+            OneTarget t1 -> "Sucessor: " ++ show t1 ++ "\n"
+            TwoTarget t1 t2 -> "Sucessor: " ++ show t1 ++ ", " ++ show t2 ++ "\n"
+          printMapBB' is hmap
+        Nothing -> error $ "BlockID " ++ show i ++ " not found."
+
+{-
+testInstance :: String -> B.ByteString -> MethodSignature -> IO ()
+testInstance cf method sig = do
+  cls <- parseClassFile cf
+  hmap <- parseMethod cls method sig
+  printMapBB hmap
+
+test_main :: IO ()
+test_main = do
+  test_01
+  test_02
+  test_03
+  test_04
+
+test_01, test_02, test_03, test_04 :: IO ()
 test_01 = testInstance "./tests/Fib.class" "fib"
 test_02 = testInstance "./tests/While.class" "f"
 test_03 = testInstance "./tests/While.class" "g"
-
-
-parseMethod :: String -> B.ByteString -> IO (Maybe MapBB)
-parseMethod clspath method = do
-                     cls <- parseClassFile clspath
-                     return $ testCFG $ lookupMethod method cls
-
-
-testCFG :: Maybe (Method Resolved) -> Maybe MapBB
-testCFG (Just m) = case attrByName m "Code" of
-                     Nothing       -> Nothing
-                     Just bytecode -> let code = decodeMethod bytecode
-                                          instructions = codeInstructions code
-                                      in Just $ buildCFG instructions
-testCFG _        = Nothing
-
+test_04 = testInstance "./tests/Fac.class" "fac"
+-}
+
+
+parseMethod :: Class Direct -> B.ByteString -> MethodSignature -> IO RawMethod
+parseMethod cls methodname sig = do
+  let method = fromMaybe
+               (error $ "method " ++ (show . toString) methodname ++ " not found")
+               (lookupMethodSig methodname sig cls)
+  let codeseg = fromMaybe
+                (error $ "codeseg " ++ (show . toString) methodname ++ " not found")
+                (attrByName method "Code")
+  let decoded = decodeMethod codeseg
+  let mapbb = testCFG decoded
+  let locals = fromIntegral (codeMaxLocals decoded)
+  let stacks = fromIntegral (codeStackSize decoded)
+  let codelen = fromIntegral (codeLength decoded)
+  let methoddirect = methodInfoToMethod (MethodInfo methodname "" sig) cls
+  let isStatic = methodIsStatic methoddirect
+  let nametype = methodNameType methoddirect
+  let argscount = methodGetArgsCount nametype + (if isStatic then 0 else 1)
+
+  let msig = methodSignature method
+  printfBb $ printf "BB: analysing \"%s\"\n" $ toString (methodname `B.append` ": " `B.append` encode msig)
+  printMapBB mapbb
+  -- small example how to get information about
+  -- exceptions of a method
+  -- TODO: remove ;-)
+  let (Just m) = lookupMethodSig methodname sig cls
+  case attrByName m "Code" of
+    Nothing ->
+      printfBb $ printf "exception: no handler for this method\n"
+    Just exceptionstream ->
+      printfBb $ printf "exception: \"%s\"\n" (show $ codeExceptions $ decodeMethod exceptionstream)
+  return $ RawMethod mapbb locals stacks argscount codelen
+
+
+testCFG :: Code -> MapBB
+testCFG = buildCFG . codeInstructions
 
 buildCFG :: [Instruction] -> MapBB
-buildCFG xs = buildCFG' H.empty xs' xs'
+buildCFG xs = buildCFG' M.empty xs' xs'
   where
   xs' :: [OffIns]
-  xs' = calculateInstructionOffset xs
+  xs' = evalState (calculateInstructionOffset xs >>= markBackwardTargets) []
+
+-- get already calculated jmp-targets and mark the predecessor of the
+-- target-instruction as "FallThrough". we just care about backwards
+-- jumps here (forward jumps are handled in buildCFG')
+markBackwardTargets :: [OffIns] -> AnalyseState
+markBackwardTargets [] = return []
+markBackwardTargets (x:[]) = return [x]
+markBackwardTargets (x@(x_off,x_bbend,x_ins):y@(y_off,_,_):xs) = do
+  rest <- markBackwardTargets (y:xs)
+  targets <- get
+  let isTarget = y_off `elem` targets
+      x_new = case x_bbend of
+        Just _ -> x -- already marked, don't change
+        Nothing -> if isTarget then checkX y_off else x
+      checkX w16 = case x_bbend of
+        Nothing -> (x_off, Just $ FallThrough w16, x_ins) -- mark previous insn
+        _ -> error "basicblock: something is wrong"
+  return $ x_new:rest
+
+
 
 buildCFG' :: MapBB -> [OffIns] -> [OffIns] -> MapBB
 buildCFG' hmap [] _ = hmap
-buildCFG' hmap (((off, entry), _):xs) insns = buildCFG' (insertlist entryi hmap) xs insns
+buildCFG' hmap ((off, entry, _):xs) insns = buildCFG' (insertlist entryi hmap) xs insns
   where
-  insertlist :: [BlockID] -> MapBB -> MapBB
-  insertlist [] hmap = hmap
-  insertlist (x:xs) hmap = insertlist xs newhmap
-    where
-    newhmap = if H.member x hmap then hmap else H.insert x value hmap
-    value = parseBasicBlock x insns
-
-  entryi :: [BlockID]
-  entryi = (if off == 0 then [0] else []) ++ -- also consider the entrypoint
-        case entry of
-        Just (TwoTarget t1 t2) -> [t1, t2]
-        Just (OneTarget t) -> [t]
-        Just (Return) -> []
-        Nothing -> []
+    insertlist :: [BlockID] -> MapBB -> MapBB
+    insertlist [] hmap' = hmap'
+    insertlist (y:ys) hmap' = insertlist ys newhmap
+      where
+        newhmap = if M.member y hmap' then hmap' else M.insert y value hmap'
+        value = parseBasicBlock y insns
+    entryi :: [BlockID]
+    entryi = if off == 0 then 0:ys else ys -- also consider the entrypoint
+      where
+        ys = case entry of
+          Just (TwoTarget t1 t2) -> [t1, t2]
+          Just (OneTarget t) -> [t]
+          Just (FallThrough t) -> [t]
+          Just Return -> []
+          Nothing -> []
 
 
 parseBasicBlock :: Int -> [OffIns] -> BasicBlock
 parseBasicBlock i insns = BasicBlock insonly endblock
   where
-  startlist = dropWhile (\((x,_),_) -> x < i) insns
-  (Just ((_,(Just endblock)),_), is) = takeWhilePlusOne validins startlist
-  insonly = snd $ unzip is
+    (lastblock, is) = takeWhilePlusOne validins omitins insns
+    (_, _, insonly) = unzip3 is
+    (_, Just endblock, _) = fromJust lastblock
 
-  -- also take last (non-matched) element and return it
-  takeWhilePlusOne :: (a -> Bool) -> [a] -> (Maybe a,[a])
-  takeWhilePlusOne _ [] = (Nothing,[])
-  takeWhilePlusOne p (x:xs)
-    | p x       =  let (lastins, list) = takeWhilePlusOne p xs in (lastins, (x:list))
-    | otherwise =  (Just x,[x])
+    -- also take last (non-matched) element and return it
+    takeWhilePlusOne :: (a -> Bool) -> (a -> Bool) -> [a] -> (Maybe a, [a])
+    takeWhilePlusOne _ _ [] = (Nothing, [])
+    takeWhilePlusOne p omit (x:xs)
+      | omit x    = next
+      | p x       = second (x:) next
+      | otherwise = (Just x, [x])
+      where
+        next = takeWhilePlusOne p omit xs
 
-  validins :: ((Int, Maybe BBEnd), Instruction) -> Bool
-  validins ((_,x),_) = case x of Just _ -> False; Nothing -> True
+    validins :: OffIns -> Bool
+    validins (_, x, _) = isNothing x
 
+    omitins :: OffIns -> Bool
+    omitins (off, _, _) = off < i
 
-calculateInstructionOffset :: [Instruction] -> [OffIns]
-calculateInstructionOffset = cio' (0, Nothing)
+
+calculateInstructionOffset :: [Instruction] -> AnalyseState
+calculateInstructionOffset = cio' (0, Nothing, NOP)
   where
-  newoffset :: Instruction -> Int -> Offset
-  newoffset x off = (off + (fromIntegral $ B.length $ encodeInstructions [x]), Nothing)
-
-  addW16Signed :: Int -> Word16 -> Int
-  addW16Signed i w16 = i + (fromIntegral s16)
-    where s16 = (fromIntegral w16) :: Int16
-
-  cio' :: Offset -> [Instruction] -> [OffIns]
-  cio' _ [] = []
-  -- TODO(bernhard): add more instruction with offset (IF_ACMP, JSR, ...)
-  cio' (off,_) (x:xs) = case x of
-      IF _ w16 -> twotargets w16
-      IF_ICMP _ w16 -> twotargets w16
-      GOTO w16 -> onetarget w16
-      IRETURN -> notarget
-      _ -> ((off, Nothing), x):next
-    where
-    notarget = ((off, Just Return), x):next
-    onetarget w16 = ((off, Just $ OneTarget $ (off `addW16Signed` w16)), x):next
-    twotargets w16 = ((off, Just $ TwoTarget (off `addW16Signed` w16) (off + 3)), x):next
-    next = cio' (newoffset x off) xs
+    addW16Signed :: Int -> Word16 -> Int
+    addW16Signed i w16 = i + fromIntegral s16
+      where s16 = fromIntegral w16 :: Int16
+
+    cio' :: OffIns -> [Instruction] -> AnalyseState
+    cio' _ [] = return $ []
+    cio' (off,_,_) (x:xs) = case x of
+        IF _ w16 -> twotargets w16
+        IF_ICMP _ w16 -> twotargets w16
+        IF_ACMP _ w16 -> twotargets w16
+        IFNONNULL w16 -> twotargets w16
+        IFNULL w16 -> twotargets w16
+        GOTO w16 -> onetarget w16
+        IRETURN -> notarget
+        ARETURN -> notarget
+        RETURN -> notarget
+        _ -> ((off, Nothing, x):) <$> next
+      where
+        notarget = ((off, Just Return, x):) <$> next
+        onetarget w16 = do
+          let jump = off `addW16Signed` w16
+          modify (jump:)
+          ((off, Just $ OneTarget jump, x):) <$> next
+        twotargets w16 = do
+          let nojump = off + 3
+          modify (nojump:)
+          let jump = off `addW16Signed` w16
+          modify (jump:)
+          ((off, Just $ TwoTarget nojump jump, x):) <$> next
+        next = cio' newoffset xs
+        newoffset = (off + insnLength x, Nothing, NOP)
+
+-- TODO(bernhard): does GHC memomize results? i.e. does it calculate the size
+--                 of `NOP' only once?
+insnLength :: Num a => Instruction -> a
+insnLength = fromIntegral . B.length . encodeInstructions . (:[])