merged Sys.Web.Services 2.0 support in my branch:
[mono.git] / mcs / docs / compiler.txt
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             iterators.cs:
151
152                 Contains the support for implementing iterators from
153                 the C# 2.0 specification.
154
155         Declarations, Classes, Structs, Enumerations
156
157             decl.cs
158
159                 This contains the base class for Members and
160                 Declaration Spaces.   A declaration space introduces
161                 new names in types, so classes, structs, delegates and
162                 enumerations derive from it.
163
164             class.cs:
165                 
166                 Methods for holding and defining class and struct
167                 information, and every member that can be in these
168                 (methods, fields, delegates, events, etc).
169
170                 The most interesting type here is the `TypeContainer'
171                 which is a derivative of the `DeclSpace' 
172
173             delegate.cs:
174
175                 Handles delegate definition and use. 
176
177             enum.cs:
178
179                 Handles enumerations.
180
181             interface.cs:
182
183                 Holds and defines interfaces.  All the code related to
184                 interface declaration lives here.
185
186             parameter.cs:
187
188                 During the parsing process, the compiler encapsulates
189                 parameters in the Parameter and Parameters classes.
190                 These classes provide definition and resolution tools
191                 for them.
192
193             pending.cs:
194
195                 Routines to track pending implementations of abstract
196                 methods and interfaces.  These are used by the
197                 TypeContainer-derived classes to track whether every
198                 method required is implemented.
199
200         
201 * The parsing process
202
203         All the input files that make up a program need to be read in
204         advance, because C# allows declarations to happen after an
205         entity is used, for example, the following is a valid program:
206
207         class X : Y {
208                 static void Main ()
209                 {
210                         a = "hello"; b = "world";
211                 }
212                 string a;
213         }
214         
215         class Y {
216                 public string b;
217         }
218
219         At the time the assignment expression `a = "hello"' is parsed,
220         it is not know whether a is a class field from this class, or
221         its parents, or whether it is a property access or a variable
222         reference.  The actual meaning of `a' will not be discovered
223         until the semantic analysis phase.
224
225 ** The Tokenizer and the pre-processor
226
227         The tokenizer is contained in the file `cs-tokenizer.cs', and
228         the main entry point is the `token ()' method.  The tokenizer
229         implements the `yyParser.yyInput' interface, which is what the
230         Yacc/Jay parser will use when fetching tokens.  
231
232         Token definitions are generated by jay during the compilation
233         process, and those can be references from the tokenizer class
234         with the `Token.' prefix. 
235
236         Each time a token is returned, the location for the token is
237         recorded into the `Location' property, that can be accessed by
238         the parser.  The parser retrieves the Location properties as
239         it builds its internal representation to allow the semantic
240         analysis phase to produce error messages that can pin point
241         the location of the problem. 
242
243         Some tokens have values associated with it, for example when
244         the tokenizer encounters a string, it will return a
245         LITERAL_STRING token, and the actual string parsed will be
246         available in the `Value' property of the tokenizer.   The same
247         mechanism is used to return integers and floating point
248         numbers. 
249
250         C# has a limited pre-processor that allows conditional
251         compilation, but it is not as fully featured as the C
252         pre-processor, and most notably, macros are missing.  This
253         makes it simple to implement in very few lines and mesh it
254         with the tokenizer.
255
256         The `handle_preprocessing_directive' method in the tokenizer
257         handles all the pre-processing, and it is invoked when the '#'
258         symbol is found as the first token in a line.  
259
260         The state of the pre-processor is contained in a Stack called
261         `ifstack', this state is used to track the if/elif/else/endif
262         nesting and the current state.  The state is encoded in the
263         top of the stack as a number of values `TAKING',
264         `TAKEN_BEFORE', `ELSE_SEEN', `PARENT_TAKING'.
265
266 ** Locations
267
268         Locations are encoded as a 32-bit number (the Location
269         struct) that map each input source line to a linear number.
270         As new files are parsed, the Location manager is informed of
271         the new file, to allow it to map back from an int constant to
272         a file + line number.
273
274         Prior to parsing/tokenizing any source files, the compiler
275         generates a list of all the source files and then reserves the
276         low N bits of the location to hold the source file, where N is
277         large enough to hold at least twice as many source files as were
278         specified on the command line (to allow for a #line in each file).
279         The upper 32-N bits are the line number in that file.
280
281         The token 0 is reserved for ``anonymous'' locations, ie. if we
282         don't know the location (Location.Null).
283
284         The tokenizer also tracks the column number for a token, but
285         this is currently not being used or encoded.  It could
286         probably be encoded in the low 9 bits, allowing for columns
287         from 1 to 512 to be encoded.
288
289 * The Parser
290
291         The parser is written using Jay, which is a port of Berkeley
292         Yacc to Java, that I later ported to C#. 
293
294         Many people ask why the grammar of the parser does not match
295         exactly the definition in the C# specification.  The reason is
296         simple: the grammar in the C# specification is designed to be
297         consumed by humans, and not by a computer program.  Before
298         you can feed this grammar to a tool, it needs to be simplified
299         to allow the tool to generate a correct parser for it. 
300
301         In the Mono C# compiler, we use a class for each of the
302         statements and expressions in the C# language.  For example,
303         there is a `While' class for the the `while' statement, a
304         `Cast' class to represent a cast expression and so on.
305
306         There is a Statement class, and an Expression class which are
307         the base classes for statements and expressions. 
308
309 ** Namespaces
310         
311         Using list.
312
313 * Internal Representation
314
315 ** Expressions
316
317         Expressions in the Mono C# compiler are represented by the
318         `Expression' class.  This is an abstract class that particular
319         kinds of expressions have to inherit from and override a few
320         methods.
321
322         The base Expression class contains two fields: `eclass' which
323         represents the "expression classification" (from the C#
324         specs) and the type of the expression.
325
326         Expressions have to be resolved before they are can be used.
327         The resolution process is implemented by overriding the
328         `DoResolve' method.  The DoResolve method has to set the
329         `eclass' field and the `type', perform all error checking and
330         computations that will be required for code generation at this
331         stage. 
332
333         The return value from DoResolve is an expression.  Most of the
334         time an Expression derived class will return itself (return
335         this) when it will handle the emission of the code itself, or
336         it can return a new Expression.
337
338         For example, the parser will create an "ElementAccess" class
339         for:
340
341                 a [0] = 1;
342
343         During the resolution process, the compiler will know whether
344         this is an array access, or an indexer access.  And will
345         return either an ArrayAccess expression or an IndexerAccess
346         expression from DoResolve.
347
348         All errors must be reported during the resolution phase
349         (DoResolve) and if an error is detected the DoResolve method
350         will return null which is used to flag that an error condition
351         has ocurred, this will be used to stop compilation later on.
352         This means that anyone that calls Expression.Resolve must
353         check the return value for null which would indicate an error
354         condition.
355
356         The second stage that Expressions participate in is code
357         generation, this is done by overwriting the "Emit" method of
358         the Expression class.  No error checking must be performed
359         during this stage.
360
361 ** Simple Names, MemberAccess
362
363         One of the most important classes in the compiler is
364         "SimpleName" which represents a simple name (from the C#
365         specification).  The names during the resolution time are
366         bound to field names, parameter names or local variable names.
367
368         More complicated expressions like:
369
370                 Math.Sin
371
372         Are composed using the MemberAccess class which contains a
373         name (Math) and a SimpleName (Sin), this helps driving the
374         resolution process.
375
376 ** Types
377
378         The parser creates expressions to represent types during
379         compilation.  For example:
380
381            class Sample {
382
383                 Version vers;
384
385            }
386
387
388         That will produce a "SimpleName" expression for the "Version"
389         word.  And in this particular case, the parser will introduce
390         "Version vers" as a field declaration.
391
392         During the resolution process for the fields, the compiler
393         will have to resolve the word "Version" to a type.  This is
394         done by using the "ResolveAsType" method in Expression instead
395         of using "Resolve".
396
397         ResolveAsType just turns on a different set of code paths for
398         things like SimpleNames and does a different kind of error
399         checking than the one used by regular expressions. 
400
401
402 ** Constants
403
404         Constants in the Mono C# compiler are represented by the
405         abstract class `Constant'.  Constant is in turn derived from
406         Expression.  The base constructor for `Constant' just sets the
407         expression class to be an `ExprClass.Value', Constants are
408         born in a fully resolved state, so the `DoResolve' method
409         only returns a reference to itself.
410
411         Each Constant should implement the `GetValue' method which
412         returns an object with the actual contents of this constant, a
413         utility virtual method called `AsString' is used to render a
414         diagnostic message.  The output of AsString is shown to the
415         developer when an error or a warning is triggered.
416
417         Constant classes also participate in the constant folding
418         process.  Constant folding is invoked by those expressions
419         that can be constant folded invoking the functionality
420         provided by the ConstantFold class (cfold.cs).   
421
422         Each Constant has to implement a number of methods to convert
423         itself into a Constant of a different type.  These methods are
424         called `ConvertToXXXX' and they are invoked by the wrapper
425         functions `ToXXXX'.  These methods only perform implicit
426         numeric conversions.  Explicit conversions are handled by the
427         `Cast' expression class.
428
429         The `ToXXXX' methods are the entry point, and provide error
430         reporting in case a conversion can not be performed.
431
432 ** Constant Folding
433
434         The C# language requires constant folding to be implemented.
435         Constant folding is hooked up in the Binary.Resolve method.
436         If both sides of a binary expression are constants, then the
437         ConstantFold.BinaryFold routine is invoked.  
438
439         This routine implements all the binary operator rules, it
440         is a mirror of the code that generates code for binary
441         operators, but that has to be evaluated at runtime.
442
443         If the constants can be folded, then a new constant expression
444         is returned, if not, then the null value is returned (for
445         example, the concatenation of a string constant and a numeric
446         constant is deferred to the runtime). 
447
448 ** Side effects
449
450         a [i++]++ 
451         a [i++] += 5;
452
453 ** Statements
454
455 * The semantic analysis 
456
457         Hence, the compiler driver has to parse all the input files.
458         Once all the input files have been parsed, and an internal
459         representation of the input program exists, the following
460         steps are taken:
461
462                 * The interface hierarchy is resolved first.
463                   As the interface hierarchy is constructed,
464                   TypeBuilder objects are created for each one of
465                   them. 
466
467                 * Classes and structure hierarchy is resolved next,
468                   TypeBuilder objects are created for them.
469
470                 * Constants and enumerations are resolved.
471
472                 * Method, indexer, properties, delegates and event
473                   definitions are now entered into the TypeBuilders. 
474
475                 * Elements that contain code are now invoked to
476                   perform semantic analysis and code generation.
477
478 * Output Generation
479
480 ** Code Generation
481
482         The EmitContext class is created any time that IL code is to
483         be generated (methods, properties, indexers and attributes all
484         create EmitContexts).  
485
486         The EmitContext keeps track of the current namespace and type
487         container.  This is used during name resolution.
488
489         An EmitContext is used by the underlying code generation
490         facilities to track the state of code generation:
491
492                 * The ILGenerator used to generate code for this
493                   method.
494
495                 * The TypeContainer where the code lives, this is used
496                   to access the TypeBuilder.
497
498                 * The DeclSpace, this is used to resolve names through
499                   RootContext.LookupType in the various statements and
500                   expressions. 
501         
502         Code generation state is also tracked here:
503
504                 * CheckState:
505
506                   This variable tracks the `checked' state of the
507                   compilation, it controls whether we should generate
508                   code that does overflow checking, or if we generate
509                   code that ignores overflows.
510                   
511                   The default setting comes from the command line
512                   option to generate checked or unchecked code plus
513                   any source code changes using the checked/unchecked
514                   statements or expressions.  Contrast this with the
515                   ConstantCheckState flag.
516
517                 * ConstantCheckState
518                   
519                   The constant check state is always set to `true' and
520                   cant be changed from the command line.  The source
521                   code can change this setting with the `checked' and
522                   `unchecked' statements and expressions.
523                   
524                 * IsStatic
525                   
526                   Whether we are emitting code inside a static or
527                   instance method
528                   
529                 * ReturnType
530                   
531                   The value that is allowed to be returned or NULL if
532                   there is no return type.
533                   
534                 * ReturnLabel 
535
536                   A `Label' used by the code if it must jump to it.
537                   This is used by a few routines that deals with exception
538                   handling.
539
540                 * HasReturnLabel
541
542                   Whether we have a return label defined by the toplevel
543                   driver.
544                   
545                 * ContainerType
546                   
547                   Points to the Type (extracted from the
548                   TypeContainer) that declares this body of code
549                   summary>
550                   
551                   
552                 * IsConstructor
553                   
554                   Whether this is generating code for a constructor
555
556                 * CurrentBlock
557
558                   Tracks the current block being generated.
559
560                 * ReturnLabel;
561                 
562                   The location where return has to jump to return the
563                   value
564
565         A few variables are used to track the state for checking in
566         for loops, or in try/catch statements:
567
568                 * InFinally
569                 
570                   Whether we are in a Finally block
571
572                 * InTry
573
574                   Whether we are in a Try block
575
576                 * InCatch
577                   
578                   Whether we are in a Catch block
579
580                 * InUnsafe
581                   Whether we are inside an unsafe block
582
583         Methods exposed by the EmitContext:
584
585                 * EmitTopBlock()
586
587                   This emits a toplevel block. 
588
589                   This routine is very simple, to allow the anonymous
590                   method support to roll its two-stage version of this
591                   routine on its own.
592
593                 * NeedReturnLabel ():
594
595                   This is used to flag during the resolution phase that 
596                   the driver needs to initialize the `ReturnLabel'
597
598 * Anonymous Methods
599
600         The introduction of anonymous methods in the compiler changed
601         various ways of doing things in the compiler.  The most
602         significant one is the hard split between the resolution phase
603         and the emission phases of the compiler.
604
605         For instance, routines that referenced local variables no
606         longer can safely create temporary variables during the
607         resolution phase: they must do so from the emission phase,
608         since the variable might have been "captured", hence access to
609         it can not be done with the local-variable operations from the
610         runtime.
611
612         The code emission is in:
613
614                 EmitTopBlock ()
615
616         Which drives the process, it first resolves the topblock, then
617         emits the required metadata (local variable definitions) and
618         finally emits the code.
619
620         A detailed description of anonymous methods and iterators is
621         on the new-anonymous-design.txt file in this directory.
622
623 * Miscellaneous
624
625 ** Error Processing.
626
627         Errors are reported during the various stages of the
628         compilation process.  The compiler stops its processing if
629         there are errors between the various phases.  This simplifies
630         the code, because it is safe to assume always that the data
631         structures that the compiler is operating on are always
632         consistent.
633
634         The error codes in the Mono C# compiler are the same as those
635         found in the Microsoft C# compiler, with a few exceptions
636         (where we report a few more errors, those are documented in
637         mcs/errors/errors.txt).  The goal is to reduce confusion to
638         the users, and also to help us track the progress of the
639         compiler in terms of the errors we report. 
640
641         The Report class provides error and warning display functions,
642         and also keeps an error count which is used to stop the
643         compiler between the phases.  
644
645         A couple of debugging tools are available here, and are useful
646         when extending or fixing bugs in the compiler.  If the
647         `--fatal' flag is passed to the compiler, the Report.Error
648         routine will throw an exception.  This can be used to pinpoint
649         the location of the bug and examine the variables around the
650         error location.
651
652         Warnings can be turned into errors by using the `--werror'
653         flag to the compiler. 
654
655         The report class also ignores warnings that have been
656         specified on the command line with the `--nowarn' flag.
657
658         Finally, code in the compiler uses the global variable
659         RootContext.WarningLevel in a few places to decide whether a
660         warning is worth reporting to the user or not.  
661
662 * Debugging the compiler
663
664         Sometimes it is convenient to find *how* a particular error
665         message is being reported from, to do that, you might want to use
666         the --fatal flag to mcs.  The flag will instruct the compiler to 
667         abort with a stack trace execution when the error is reported.
668
669         You can use this with -warnaserror to obtain the same effect
670         with warnings. 
671
672 * Editing the compiler sources
673
674         The compiler sources are intended to be edited with 134 columns of width
675