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Vendor import of llvm trunk r290819:
[FreeBSD/FreeBSD.git] / docs / tutorial / BuildingAJIT1.rst
1 =======================================================
2 Building a JIT: Starting out with KaleidoscopeJIT
3 =======================================================
4
5 .. contents::
6    :local:
7
8 Chapter 1 Introduction
9 ======================
10
11 Welcome to Chapter 1 of the "Building an ORC-based JIT in LLVM" tutorial. This
12 tutorial runs through the implementation of a JIT compiler using LLVM's
13 On-Request-Compilation (ORC) APIs. It begins with a simplified version of the
14 KaleidoscopeJIT class used in the
15 `Implementing a language with LLVM <LangImpl1.html>`_ tutorials and then
16 introduces new features like optimization, lazy compilation and remote
17 execution.
18
19 The goal of this tutorial is to introduce you to LLVM's ORC JIT APIs, show how
20 these APIs interact with other parts of LLVM, and to teach you how to recombine
21 them to build a custom JIT that is suited to your use-case.
22
23 The structure of the tutorial is:
24
25 - Chapter #1: Investigate the simple KaleidoscopeJIT class. This will
26   introduce some of the basic concepts of the ORC JIT APIs, including the
27   idea of an ORC *Layer*.
28
29 - `Chapter #2 <BuildingAJIT2.html>`_: Extend the basic KaleidoscopeJIT by adding
30   a new layer that will optimize IR and generated code.
31
32 - `Chapter #3 <BuildingAJIT3.html>`_: Further extend the JIT by adding a
33   Compile-On-Demand layer to lazily compile IR.
34
35 - `Chapter #4 <BuildingAJIT4.html>`_: Improve the laziness of our JIT by
36   replacing the Compile-On-Demand layer with a custom layer that uses the ORC
37   Compile Callbacks API directly to defer IR-generation until functions are
38   called.
39
40 - `Chapter #5 <BuildingAJIT5.html>`_: Add process isolation by JITing code into
41   a remote process with reduced privileges using the JIT Remote APIs.
42
43 To provide input for our JIT we will use the Kaleidoscope REPL from
44 `Chapter 7 <LangImpl7.html>`_ of the "Implementing a language in LLVM tutorial",
45 with one minor modification: We will remove the FunctionPassManager from the
46 code for that chapter and replace it with optimization support in our JIT class
47 in Chapter #2.
48
49 Finally, a word on API generations: ORC is the 3rd generation of LLVM JIT API.
50 It was preceded by MCJIT, and before that by the (now deleted) legacy JIT.
51 These tutorials don't assume any experience with these earlier APIs, but
52 readers acquainted with them will see many familiar elements. Where appropriate
53 we will make this connection with the earlier APIs explicit to help people who
54 are transitioning from them to ORC.
55
56 JIT API Basics
57 ==============
58
59 The purpose of a JIT compiler is to compile code "on-the-fly" as it is needed,
60 rather than compiling whole programs to disk ahead of time as a traditional
61 compiler does. To support that aim our initial, bare-bones JIT API will be:
62
63 1. Handle addModule(Module &M) -- Make the given IR module available for
64    execution.
65 2. JITSymbol findSymbol(const std::string &Name) -- Search for pointers to
66    symbols (functions or variables) that have been added to the JIT.
67 3. void removeModule(Handle H) -- Remove a module from the JIT, releasing any
68    memory that had been used for the compiled code.
69
70 A basic use-case for this API, executing the 'main' function from a module,
71 will look like:
72
73 .. code-block:: c++
74
75   std::unique_ptr<Module> M = buildModule();
76   JIT J;
77   Handle H = J.addModule(*M);
78   int (*Main)(int, char*[]) =
79     (int(*)(int, char*[])J.findSymbol("main").getAddress();
80   int Result = Main();
81   J.removeModule(H);
82
83 The APIs that we build in these tutorials will all be variations on this simple
84 theme. Behind the API we will refine the implementation of the JIT to add
85 support for optimization and lazy compilation. Eventually we will extend the
86 API itself to allow higher-level program representations (e.g. ASTs) to be
87 added to the JIT.
88
89 KaleidoscopeJIT
90 ===============
91
92 In the previous section we described our API, now we examine a simple
93 implementation of it: The KaleidoscopeJIT class [1]_ that was used in the
94 `Implementing a language with LLVM <LangImpl1.html>`_ tutorials. We will use
95 the REPL code from `Chapter 7 <LangImpl7.html>`_ of that tutorial to supply the
96 input for our JIT: Each time the user enters an expression the REPL will add a
97 new IR module containing the code for that expression to the JIT. If the
98 expression is a top-level expression like '1+1' or 'sin(x)', the REPL will also
99 use the findSymbol method of our JIT class find and execute the code for the
100 expression, and then use the removeModule method to remove the code again
101 (since there's no way to re-invoke an anonymous expression). In later chapters
102 of this tutorial we'll modify the REPL to enable new interactions with our JIT
103 class, but for now we will take this setup for granted and focus our attention on
104 the implementation of our JIT itself.
105
106 Our KaleidoscopeJIT class is defined in the KaleidoscopeJIT.h header. After the
107 usual include guards and #includes [2]_, we get to the definition of our class:
108
109 .. code-block:: c++
110
111   #ifndef LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_KALEIDOSCOPEJIT_H
112   #define LLVM_EXECUTIONENGINE_ORC_KALEIDOSCOPEJIT_H
113
114   #include "llvm/ExecutionEngine/ExecutionEngine.h"
115   #include "llvm/ExecutionEngine/RTDyldMemoryManager.h"
116   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/CompileUtils.h"
117   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/IRCompileLayer.h"
118   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/LambdaResolver.h"
119   #include "llvm/ExecutionEngine/Orc/ObjectLinkingLayer.h"
120   #include "llvm/IR/Mangler.h"
121   #include "llvm/Support/DynamicLibrary.h"
122
123   namespace llvm {
124   namespace orc {
125
126   class KaleidoscopeJIT {
127   private:
128
129     std::unique_ptr<TargetMachine> TM;
130     const DataLayout DL;
131     ObjectLinkingLayer<> ObjectLayer;
132     IRCompileLayer<decltype(ObjectLayer)> CompileLayer;
133
134   public:
135
136     typedef decltype(CompileLayer)::ModuleSetHandleT ModuleHandleT;
137
138 Our class begins with four members: A TargetMachine, TM, which will be used
139 to build our LLVM compiler instance; A DataLayout, DL, which will be used for
140 symbol mangling (more on that later), and two ORC *layers*: an
141 ObjectLinkingLayer and a IRCompileLayer. We'll be talking more about layers in
142 the next chapter, but for now you can think of them as analogous to LLVM
143 Passes: they wrap up useful JIT utilities behind an easy to compose interface.
144 The first layer, ObjectLinkingLayer, is the foundation of our JIT: it takes
145 in-memory object files produced by a compiler and links them on the fly to make
146 them executable. This JIT-on-top-of-a-linker design was introduced in MCJIT,
147 however the linker was hidden inside the MCJIT class. In ORC we expose the
148 linker so that clients can access and configure it directly if they need to. In
149 this tutorial our ObjectLinkingLayer will just be used to support the next layer
150 in our stack: the IRCompileLayer, which will be responsible for taking LLVM IR,
151 compiling it, and passing the resulting in-memory object files down to the
152 object linking layer below.
153
154 That's it for member variables, after that we have a single typedef:
155 ModuleHandle. This is the handle type that will be returned from our JIT's
156 addModule method, and can be passed to the removeModule method to remove a
157 module. The IRCompileLayer class already provides a convenient handle type
158 (IRCompileLayer::ModuleSetHandleT), so we just alias our ModuleHandle to this.
159
160 .. code-block:: c++
161
162   KaleidoscopeJIT()
163       : TM(EngineBuilder().selectTarget()), DL(TM->createDataLayout()),
164     CompileLayer(ObjectLayer, SimpleCompiler(*TM)) {
165     llvm::sys::DynamicLibrary::LoadLibraryPermanently(nullptr);
166   }
167
168   TargetMachine &getTargetMachine() { return *TM; }
169
170 Next up we have our class constructor. We begin by initializing TM using the
171 EngineBuilder::selectTarget helper method, which constructs a TargetMachine for
172 the current process. Next we use our newly created TargetMachine to initialize
173 DL, our DataLayout. Then we initialize our IRCompileLayer. Our IRCompile layer
174 needs two things: (1) A reference to our object linking layer, and (2) a
175 compiler instance to use to perform the actual compilation from IR to object
176 files. We use the off-the-shelf SimpleCompiler instance for now. Finally, in
177 the body of the constructor, we call the DynamicLibrary::LoadLibraryPermanently
178 method with a nullptr argument. Normally the LoadLibraryPermanently method is
179 called with the path of a dynamic library to load, but when passed a null
180 pointer it will 'load' the host process itself, making its exported symbols
181 available for execution.
182
183 .. code-block:: c++
184
185   ModuleHandle addModule(std::unique_ptr<Module> M) {
186     // Build our symbol resolver:
187     // Lambda 1: Look back into the JIT itself to find symbols that are part of
188     //           the same "logical dylib".
189     // Lambda 2: Search for external symbols in the host process.
190     auto Resolver = createLambdaResolver(
191         [&](const std::string &Name) {
192           if (auto Sym = CompileLayer.findSymbol(Name, false))
193             return Sym;
194           return JITSymbol(nullptr);
195         },
196         [](const std::string &S) {
197           if (auto SymAddr =
198                 RTDyldMemoryManager::getSymbolAddressInProcess(Name))
199             return JITSymbol(SymAddr, JITSymbolFlags::Exported);
200           return JITSymbol(nullptr);
201         });
202
203     // Build a singlton module set to hold our module.
204     std::vector<std::unique_ptr<Module>> Ms;
205     Ms.push_back(std::move(M));
206
207     // Add the set to the JIT with the resolver we created above and a newly
208     // created SectionMemoryManager.
209     return CompileLayer.addModuleSet(std::move(Ms),
210                                      make_unique<SectionMemoryManager>(),
211                                      std::move(Resolver));
212   }
213
214 Now we come to the first of our JIT API methods: addModule. This method is
215 responsible for adding IR to the JIT and making it available for execution. In
216 this initial implementation of our JIT we will make our modules "available for
217 execution" by adding them straight to the IRCompileLayer, which will
218 immediately compile them. In later chapters we will teach our JIT to be lazier
219 and instead add the Modules to a "pending" list to be compiled if and when they
220 are first executed.
221
222 To add our module to the IRCompileLayer we need to supply two auxiliary objects
223 (as well as the module itself): a memory manager and a symbol resolver.  The
224 memory manager will be responsible for managing the memory allocated to JIT'd
225 machine code, setting memory permissions, and registering exception handling
226 tables (if the JIT'd code uses exceptions). For our memory manager we will use
227 the SectionMemoryManager class: another off-the-shelf utility that provides all
228 the basic functionality we need. The second auxiliary class, the symbol
229 resolver, is more interesting for us. It exists to tell the JIT where to look
230 when it encounters an *external symbol* in the module we are adding.  External
231 symbols are any symbol not defined within the module itself, including calls to
232 functions outside the JIT and calls to functions defined in other modules that
233 have already been added to the JIT. It may seem as though modules added to the
234 JIT should "know about one another" by default, but since we would still have to
235 supply a symbol resolver for references to code outside the JIT it turns out to
236 be easier to just re-use this one mechanism for all symbol resolution. This has
237 the added benefit that the user has full control over the symbol resolution
238 process. Should we search for definitions within the JIT first, then fall back
239 on external definitions? Or should we prefer external definitions where
240 available and only JIT code if we don't already have an available
241 implementation? By using a single symbol resolution scheme we are free to choose
242 whatever makes the most sense for any given use case.
243
244 Building a symbol resolver is made especially easy by the *createLambdaResolver*
245 function. This function takes two lambdas [3]_ and returns a JITSymbolResolver
246 instance. The first lambda is used as the implementation of the resolver's
247 findSymbolInLogicalDylib method, which searches for symbol definitions that
248 should be thought of as being part of the same "logical" dynamic library as this
249 Module. If you are familiar with static linking: this means that
250 findSymbolInLogicalDylib should expose symbols with common linkage and hidden
251 visibility. If all this sounds foreign you can ignore the details and just
252 remember that this is the first method that the linker will use to try to find a
253 symbol definition. If the findSymbolInLogicalDylib method returns a null result
254 then the linker will call the second symbol resolver method, called findSymbol,
255 which searches for symbols that should be thought of as external to (but
256 visibile from) the module and its logical dylib. In this tutorial we will adopt
257 the following simple scheme: All modules added to the JIT will behave as if they
258 were linked into a single, ever-growing logical dylib. To implement this our
259 first lambda (the one defining findSymbolInLogicalDylib) will just search for
260 JIT'd code by calling the CompileLayer's findSymbol method. If we don't find a
261 symbol in the JIT itself we'll fall back to our second lambda, which implements
262 findSymbol. This will use the RTDyldMemoyrManager::getSymbolAddressInProcess
263 method to search for the symbol within the program itself. If we can't find a
264 symbol definition via either of these paths the JIT will refuse to accept our
265 module, returning a "symbol not found" error.
266
267 Now that we've built our symbol resolver we're ready to add our module to the
268 JIT. We do this by calling the CompileLayer's addModuleSet method [4]_. Since
269 we only have a single Module and addModuleSet expects a collection, we will
270 create a vector of modules and add our module as the only member. Since we
271 have already typedef'd our ModuleHandle type to be the same as the
272 CompileLayer's handle type, we can return the handle from addModuleSet
273 directly from our addModule method.
274
275 .. code-block:: c++
276
277   JITSymbol findSymbol(const std::string Name) {
278     std::string MangledName;
279     raw_string_ostream MangledNameStream(MangledName);
280     Mangler::getNameWithPrefix(MangledNameStream, Name, DL);
281     return CompileLayer.findSymbol(MangledNameStream.str(), true);
282   }
283
284   void removeModule(ModuleHandle H) {
285     CompileLayer.removeModuleSet(H);
286   }
287
288 Now that we can add code to our JIT, we need a way to find the symbols we've
289 added to it. To do that we call the findSymbol method on our IRCompileLayer,
290 but with a twist: We have to *mangle* the name of the symbol we're searching
291 for first. The reason for this is that the ORC JIT components use mangled
292 symbols internally the same way a static compiler and linker would, rather
293 than using plain IR symbol names. The kind of mangling will depend on the
294 DataLayout, which in turn depends on the target platform. To allow us to
295 remain portable and search based on the un-mangled name, we just re-produce
296 this mangling ourselves.
297
298 We now come to the last method in our JIT API: removeModule. This method is
299 responsible for destructing the MemoryManager and SymbolResolver that were
300 added with a given module, freeing any resources they were using in the
301 process. In our Kaleidoscope demo we rely on this method to remove the module
302 representing the most recent top-level expression, preventing it from being
303 treated as a duplicate definition when the next top-level expression is
304 entered. It is generally good to free any module that you know you won't need
305 to call further, just to free up the resources dedicated to it. However, you
306 don't strictly need to do this: All resources will be cleaned up when your
307 JIT class is destructed, if the haven't been freed before then.
308
309 This brings us to the end of Chapter 1 of Building a JIT. You now have a basic
310 but fully functioning JIT stack that you can use to take LLVM IR and make it
311 executable within the context of your JIT process. In the next chapter we'll
312 look at how to extend this JIT to produce better quality code, and in the
313 process take a deeper look at the ORC layer concept.
314
315 `Next: Extending the KaleidoscopeJIT <BuildingAJIT2.html>`_
316
317 Full Code Listing
318 =================
319
320 Here is the complete code listing for our running example. To build this
321 example, use:
322
323 .. code-block:: bash
324
325     # Compile
326     clang++ -g toy.cpp `llvm-config --cxxflags --ldflags --system-libs --libs core orc native` -O3 -o toy
327     # Run
328     ./toy
329
330 Here is the code:
331
332 .. literalinclude:: ../../examples/Kaleidoscope/BuildingAJIT/Chapter1/KaleidoscopeJIT.h
333    :language: c++
334
335 .. [1] Actually we use a cut-down version of KaleidoscopeJIT that makes a
336        simplifying assumption: symbols cannot be re-defined. This will make it
337        impossible to re-define symbols in the REPL, but will make our symbol
338        lookup logic simpler. Re-introducing support for symbol redefinition is
339        left as an exercise for the reader. (The KaleidoscopeJIT.h used in the
340        original tutorials will be a helpful reference).
341
342 .. [2] +-----------------------+-----------------------------------------------+
343        |         File          |               Reason for inclusion            |
344        +=======================+===============================================+
345        |   ExecutionEngine.h   | Access to the EngineBuilder::selectTarget     |
346        |                       | method.                                       |
347        +-----------------------+-----------------------------------------------+
348        |                       | Access to the                                 |
349        | RTDyldMemoryManager.h | RTDyldMemoryManager::getSymbolAddressInProcess|
350        |                       | method.                                       |
351        +-----------------------+-----------------------------------------------+
352        |    CompileUtils.h     | Provides the SimpleCompiler class.            |
353        +-----------------------+-----------------------------------------------+
354        |   IRCompileLayer.h    | Provides the IRCompileLayer class.            |
355        +-----------------------+-----------------------------------------------+
356        |                       | Access the createLambdaResolver function,     |
357        |   LambdaResolver.h    | which provides easy construction of symbol    |
358        |                       | resolvers.                                    |
359        +-----------------------+-----------------------------------------------+
360        |  ObjectLinkingLayer.h | Provides the ObjectLinkingLayer class.        |
361        +-----------------------+-----------------------------------------------+
362        |       Mangler.h       | Provides the Mangler class for platform       |
363        |                       | specific name-mangling.                       |
364        +-----------------------+-----------------------------------------------+
365        |   DynamicLibrary.h    | Provides the DynamicLibrary class, which      |
366        |                       | makes symbols in the host process searchable. |
367        +-----------------------+-----------------------------------------------+
368
369 .. [3] Actually they don't have to be lambdas, any object with a call operator
370        will do, including plain old functions or std::functions.
371
372 .. [4] ORC layers accept sets of Modules, rather than individual ones, so that
373        all Modules in the set could be co-located by the memory manager, though
374        this feature is not yet implemented.