]> granicus.if.org Git - python/commitdiff
Add doc discussing how AST compiler is structured and designed.
authorBrett Cannon <bcannon@gmail.com>
Thu, 9 Feb 2006 02:43:14 +0000 (02:43 +0000)
committerBrett Cannon <bcannon@gmail.com>
Thu, 9 Feb 2006 02:43:14 +0000 (02:43 +0000)
It is out of date, though, thanks to lacking info on the arena API.  It also
should eventually be removed in favor of updating PEP 339.

Python/compile.txt [new file with mode: 0644]

diff --git a/Python/compile.txt b/Python/compile.txt
new file mode 100644 (file)
index 0000000..12f2128
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,507 @@
+Developer Notes for Python Compiler
+===================================
+
+Table of Contents
+-----------------
+
+- Scope
+    Defines the limits of the change
+- Parse Trees
+    Describes the local (Python) concept
+- Abstract Syntax Trees (AST)
+    Describes the AST technology used
+- Parse Tree to AST
+    Defines the transform approach
+- Control Flow Graphs
+    Defines the creation of "basic blocks"
+- AST to CFG to Bytecode
+    Tracks the flow from AST to bytecode
+- Code Objects
+    Pointer to making bytecode "executable"
+- Modified Files
+    Files added/modified/removed from CPython compiler
+- ToDo
+    Work yet remaining (before complete)
+- References
+    Academic and technical references to technology used.
+
+
+Scope
+-----
+
+Historically (through 2.4), compilation from source code to bytecode
+involved two steps:
+
+1. Parse the source code into a parse tree (Parser/pgen.c)
+2. Emit bytecode based on the parse tree (Python/compile.c)
+
+Historically, this is not how a standard compiler works.  The usual
+steps for compilation are:
+
+1. Parse source code into a parse tree (Parser/pgen.c)
+2. Transform parse tree into an Abstract Syntax Tree (Python/ast.c)
+3. Transform AST into a Control Flow Graph (Python/newcompile.c)
+4. Emit bytecode based on the Control Flow Graph (Python/newcompile.c)
+
+Starting with Python 2.5, the above steps are now used.  This change
+was done to simplify compilation by breaking it into three steps.
+The purpose of this document is to outline how the lattter three steps
+of the process works.
+
+This document does not touch on how parsing works beyond what is needed
+to explain what is needed for compilation.  It is also not exhaustive
+in terms of the how the entire system works.  You will most likely need
+to read some source to have an exact understanding of all details.
+
+
+Parse Trees
+-----------
+
+Python's parser is an LL(1) parser mostly based off of the
+implementation laid out in the Dragon Book [Aho86]_.
+
+The grammar file for Python can be found in Grammar/Grammar with the
+numeric value of grammar rules are stored in Include/graminit.h.  The
+numeric values for types of tokens (literal tokens, such as ``:``,
+numbers, etc.) are kept in Include/token.h).  The parse tree made up of
+``node *`` structs (as defined in Include/node.h).
+
+Querying data from the node structs can be done with the following
+macros (which are all defined in Include/token.h):
+
+- ``CHILD(node *, int)``
+       Returns the nth child of the node using zero-offset indexing
+- ``RCHILD(node *, int)``
+       Returns the nth child of the node from the right side; use
+       negative numbers!
+- ``NCH(node *)``
+       Number of children the node has
+- ``STR(node *)``
+       String representation of the node; e.g., will return ``:`` for a
+       COLON token
+- ``TYPE(node *)``
+       The type of node as specified in ``Include/graminit.h``
+- ``REQ(node *, TYPE)``
+       Assert that the node is the type that is expected
+- ``LINENO(node *)``
+       retrieve the line number of the source code that led to the
+       creation of the parse rule; defined in Python/ast.c
+
+To tie all of this example, consider the rule for 'while'::
+
+  while_stmt: 'while' test ':' suite ['else' ':' suite]
+
+The node representing this will have ``TYPE(node) == while_stmt`` and
+the number of children can be 4 or 7 depending on if there is an 'else'
+statement.  To access what should be the first ':' and require it be an
+actual ':' token, `(REQ(CHILD(node, 2), COLON)``.
+
+
+Abstract Syntax Trees (AST)
+---------------------------
+
+The abstract syntax tree (AST) is a high-level representation of the
+program structure without the necessity of containing the source code;
+it can be thought of a abstract representation of the source code.  The
+specification of the AST nodes is specified using the Zephyr Abstract
+Syntax Definition Language (ASDL) [Wang97]_.
+
+The definition of the AST nodes for Python is found in the file
+Parser/Python.asdl .
+
+Each AST node (representing statements, expressions, and several
+specialized types, like list comprehensions and exception handlers) is
+defined by the ASDL.  Most definitions in the AST correspond to a
+particular source construct, such as an 'if' statement or an attribute
+lookup.  The definition is independent of its realization in any
+particular programming language.
+
+The following fragment of the Python ASDL construct demonstrates the
+approach and syntax::
+
+  module Python
+  {
+       stmt = FunctionDef(identifier name, arguments args, stmt* body,
+                           expr* decorators)
+             | Return(expr? value) | Yield(expr value)
+             attributes (int lineno)
+  }
+
+The preceding example describes three different kinds of statements;
+function definitions, return statements, and yield statements.  All
+three kinds are considered of type stmt as shown by '|' separating the
+various kinds.  They all take arguments of various kinds and amounts.
+
+Modifiers on the argument type specify the number of values needed; '?'
+means it is optional, '*' means 0 or more, no modifier means only one
+value for the argument and it is required.  FunctionDef, for instance,
+takes an identifier for the name, 'arguments' for args, zero or more
+stmt arguments for 'body', and zero or more expr arguments for
+'decorators'.
+
+Do notice that something like 'arguments', which is a node type, is
+represented as a single AST node and not as a sequence of nodes as with
+stmt as one might expect.  
+
+All three kinds also have an 'attributes' argument; this is shown by the
+fact that 'attributes' lacks a '|' before it.
+
+The statement definitions above generate the following C structure type::
+
+  typedef struct _stmt *stmt_ty;
+
+  struct _stmt {
+        enum { FunctionDef_kind=1, Return_kind=2, Yield_kind=3 } kind;
+        union {
+                struct {
+                        identifier name;
+                        arguments_ty args;
+                        asdl_seq *body;
+                } FunctionDef;
+                
+                struct {
+                        expr_ty value;
+                } Return;
+                
+                struct {
+                        expr_ty value;
+                } Yield;
+        } v;
+        int lineno;
+   }
+
+Also generated are a series of constructor functions that allocate (in
+this case) a stmt_ty struct with the appropriate initialization.  The
+'kind' field specifies which component of the union is initialized.  The
+FunctionDef() constructor function sets 'kind' to FunctionDef_kind and
+initializes the 'name', 'args', 'body', and 'attributes' fields.
+
+*** NOTE: if you make a change here that can affect the output of bytecode that
+is already in existence, make sure to delete your old .py(c|o) files!  Running
+``find . -name '*.py[co]' -exec rm -f {} ';'`` should do the trick.
+
+
+Parse Tree to AST
+-----------------
+
+The AST is generated from the parse tree in (see Python/ast.c) using the
+function::
+
+  mod_ty PyAST_FromNode(const node *n);
+
+The function begins a tree walk of the parse tree, creating various AST
+nodes as it goes along.  It does this by allocating all new nodes it
+needs, calling the proper AST node creation functions for any required
+supporting functions, and connecting them as needed.
+
+Do realize that there is no automated nor symbolic connection between
+the grammar specification and the nodes in the parse tree.  No help is
+directly provided by the parse tree as in yacc.
+
+For instance, one must keep track of
+which node in the parse tree one is working with (e.g., if you are
+working with an 'if' statement you need to watch out for the ':' token
+to find the end of the conditional).  No help is directly provided by
+the parse tree as in yacc.
+
+The functions called to generate AST nodes from the parse tree all have
+the name ast_for_xx where xx is what the grammar rule that the function
+handles (alias_for_import_name is the exception to this).  These in turn
+call the constructor functions as defined by the ASDL grammar and
+contained in Python/Python-ast.c (which was generated by
+Parser/asdl_c.py) to create the nodes of the AST.  This all leads to a
+sequence of AST nodes stored in asdl_seq structs.
+
+
+Function and macros for creating and using ``asdl_seq *`` types as found
+in Python/asdl.c and Include/asdl.h:
+
+- ``asdl_seq_new(int)``
+       Allocate memory for an asdl_seq for length 'size'
+- ``asdl_seq_free(asdl_seq *)``
+       Free asdl_seq struct
+- ``asdl_seq_GET(asdl_seq *seq, int pos)``
+       Get item held at 'pos'
+- ``asdl_seq_SET(asdl_seq *seq, int pos, void *val)``
+       Set 'pos' in 'seq' to 'val'
+- ``asdl_seq_APPEND(asdl_seq *seq, void *val)``
+       Set the end of 'seq' to 'val'
+- ``asdl_seq_LEN(asdl_seq *)``
+       Return the length of 'seq'
+
+If you are working with statements, you must also worry about keeping
+track of what line number generated the statement.  Currently the line
+number is passed as the last parameter to each stmt_ty function.
+
+
+Control Flow Graphs
+-------------------
+
+A control flow graph (often referenced by its acronym, CFG) is a
+directed graph that models the flow of a program using basic blocks that
+contain the intermediate representation (abbreviated "IR", and in this
+case is Python bytecode) within the blocks.  Basic blocks themselves are
+a block of IR that has a single entry point but possibly multiple exit
+points.  The single entry point is the key to basic blocks; it all has
+to do with jumps.  An entry point is the target of something that
+changes control flow (such as a function call or a jump) while exit
+points are instructions that would change the flow of the program (such
+as jumps and 'return' statements).  What this means is that a basic
+block is a chunk of code that starts at the entry point and runs to an
+exit point or the end of the block.
+  
+As an example, consider an 'if' statement with an 'else' block.  The
+guard on the 'if' is a basic block which is pointed to by the basic
+block containing the code leading to the 'if' statement.  The 'if'
+statement block contains jumps (which are exit points) to the true body
+of the 'if' and the 'else' body (which may be NULL), each of which are
+their own basic blocks.  Both of those blocks in turn point to the
+basic block representing the code following the entire 'if' statement.
+
+CFGs are usually one step away from final code output.  Code is directly
+generated from the basic blocks (with jump targets adjusted based on the
+output order) by doing a post-order depth-first search on the CFG
+following the edges.
+
+
+AST to CFG to Bytecode
+----------------------
+
+With the AST created, the next step is to create the CFG. The first step
+is to convert the AST to Python bytecode without having jump targets
+resolved to specific offsets (this is calculated when the CFG goes to
+final bytecode). Essentially, this transforms the AST into Python
+bytecode with control flow represented by the edges of the CFG.
+
+Conversion is done in two passes.  The first creates the namespace
+(variables can be classified as local, free/cell for closures, or
+global).  With that done, the second pass essentially flattens the CFG
+into a list and calculates jump offsets for final output of bytecode.
+
+The conversion process is initiated by a call to the function in
+Python/newcompile.c::
+
+  PyCodeObject * PyAST_Compile(mod_ty, const char *, PyCompilerFlags);
+
+This function does both the conversion of the AST to a CFG and
+outputting final bytecode from the CFG.  The AST to CFG step is handled
+mostly by the two functions called by PyAST_Compile()::
+
+  struct symtable * PySymtable_Build(mod_ty, const char *,
+                                       PyFutureFeatures);
+  PyCodeObject * compiler_mod(struct compiler *, mod_ty);
+
+The former is in Python/symtable.c while the latter is in
+Python/newcompile.c .
+
+PySymtable_Build() begins by entering the starting code block for the
+AST (passed-in) and then calling the proper symtable_visit_xx function
+(with xx being the AST node type).  Next, the AST tree is walked with
+the various code blocks that delineate the reach of a local variable
+as blocks are entered and exited::
+
+  static int symtable_enter_block(struct symtable *, identifier,
+                                   block_ty, void *, int);
+  static int symtable_exit_block(struct symtable *, void *);
+
+Once the symbol table is created, it is time for CFG creation, whose
+code is in Python/newcompile.c .  This is handled by several functions
+that break the task down by various AST node types.  The functions are
+all named compiler_visit_xx where xx is the name of the node type (such
+as stmt, expr, etc.).  Each function receives a ``struct compiler *``
+and xx_ty where xx is the AST node type.  Typically these functions
+consist of a large 'switch' statement, branching based on the kind of
+node type passed to it.  Simple things are handled inline in the
+'switch' statement with more complex transformations farmed out to other
+functions named compiler_xx with xx being a descriptive name of what is
+being handled.
+
+When transforming an arbitrary AST node, use the VISIT macro::
+
+  VISIT(struct compiler *, <node type>, <AST node>);
+
+The appropriate compiler_visit_xx function is called, based on the value
+passed in for <node type> (so ``VISIT(c, expr, node)`` calls
+``compiler_visit_expr(c, node)``).  The VISIT_SEQ macro is very similar,
+ but is called on AST node sequences (those values that were created as
+arguments to a node that used the '*' modifier).  There is also
+VISIT_SLICE just for handling slices::
+
+  VISIT_SLICE(struct compiler *, slice_ty, expr_context_ty);
+
+Emission of bytecode is handled by the following macros:
+
+- ``ADDOP(struct compiler *c, int op)``
+    add 'op' as an opcode
+- ``ADDOP_I(struct compiler *c, int op, int oparg)``
+    add 'op' with an 'oparg' argument
+- ``ADDOP_O(struct compiler *c, int op, PyObject *type, PyObject *obj)``
+    add 'op' with the proper argument based on the position of obj in
+    'type', but with no handling of mangled names; used for when you
+    need to do named lookups of objects such as globals, consts, or
+    parameters where name mangling is not possible and the scope of the
+    name is known
+- ``ADDOP_NAME(struct compiler *, int, PyObject *, PyObject *)``
+    just like ADDOP_O, but name mangling is also handled; used for
+    attribute loading or importing based on name
+- ``ADDOP_JABS(struct compiling *c, int op, basicblock b)``
+    create an absolute jump to the basic block 'b'
+- ``ADDOP_JREL(struct compiling *c, int op, basicblock b)``
+    create a relative jump to the basic block 'b'
+
+Several helper functions that will emit bytecode and are named
+compiler_xx() where xx is what the function helps with (list, boolop
+ etc.).  A rather useful one is::
+
+  static int compiler_nameop(struct compiler *, identifier,
+                               expr_context_ty);
+
+This function looks up the scope of a variable and, based on the
+expression context, emits the proper opcode to load, store, or delete
+the variable.
+
+As for handling the line number on which a statement is defined, is
+handled by compiler_visit_stmt() and thus is not a worry.
+
+In addition to emitting bytecode based on the AST node, handling the
+creation of basic blocks must be done.  Below are the macros and
+functions used for managing basic blocks:
+
+- ``NEW_BLOCK(struct compiler *)``
+    create block and set it as current
+- ``NEXT_BLOCK(struct compiler *)``
+    basically NEW_BLOCK() plus jump from current block
+- ``compiler_new_block(struct compiler *)``
+    create a block but don't use it (used for generating jumps)
+
+Once the CFG is created, it must be flattened and then final emission of
+bytecode occurs.  Flattening is handled using a post-order depth-first
+search.  Once flattened, jump offsets are backpatched based on the
+flattening and then a PyCodeObject file is created.  All of this is
+handled by calling::
+
+  PyCodeObject * assemble(struct compiler *, int);
+
+*** NOTE: if you make a change here that can affect the output of bytecode that
+is already in existence, make sure to delete your old .py(c|o) files!  Running
+``find . -name '*.py[co]' -exec rm -f {} ';'`` should do the trick.
+
+
+Code Objects
+------------
+
+In the end, one ends up with a PyCodeObject which is defined in
+Include/code.h .  And with that you now have executable Python bytecode!
+
+
+Modified Files
+--------------
+
++ Parser/
+
+    - Python.asdl
+        ASDL syntax file
+
+    - asdl.py
+        "An implementation of the Zephyr Abstract Syntax Definition
+        Language."  Uses SPARK_ to parse the ASDL files.
+
+    - asdl_c.py
+        "Generate C code from an ASDL description."  Generates
+       ../Python/Python-ast.c and ../Include/Python-ast.h .
+
+    - spark.py
+        SPARK_ parser generator
+
++ Python/
+
+    - Python-ast.c
+        Creates C structs corresponding to the ASDL types.  Also
+       contains code for marshaling AST nodes (core ASDL types have
+       marshaling code in asdl.c).  "File automatically generated by
+       ../Parser/asdl_c.py".
+
+    - asdl.c
+        Contains code to handle the ASDL sequence type.  Also has code
+        to handle marshalling the core ASDL types, such as number and
+        identifier.  used by Python-ast.c for marshaling AST nodes.
+
+    - ast.c
+        Converts Python's parse tree into the abstract syntax tree.
+
+    - compile.txt
+        This file.
+
+    - newcompile.c
+        New version of compile.c that handles the emitting of bytecode.
+
+    - symtable.c
+       Generates symbol table from AST.
+       
+
++ Include/
+
+    - Python-ast.h
+        Contains the actual definitions of the C structs as generated by
+        ../Python/Python-ast.c .
+        "Automatically generated by ../Parser/asdl_c.py".
+
+    - asdl.h
+        Header for the corresponding ../Python/ast.c .
+
+    - ast.h
+        Declares PyAST_FromNode() external (from ../Python/ast.c).
+
+    - code.h
+       Header file for ../Objects/codeobject.c; contains definition of
+       PyCodeObject.
+
+    - symtable.h
+       Header for ../Python/symtable.c .  struct symtable and
+       PySTEntryObject are defined here.
+
++ Objects/
+
+    - codeobject.c
+       Contains PyCodeObject-related code (originally in
+       ../Python/compile.c).
+
+
+ToDo
+----
+*** NOTE: all bugs and patches should be filed on SF under the group
+           "AST" for easy searching.  It also does not hurt to put
+           "[AST]" at the beginning of the subject line of the tracker
+           item.
+
++ Stdlib support
+    - AST->Python access?
+    - rewrite compiler package to mirror AST structure?
++ Documentation
+    - flesh out this doc
+       * byte stream output
+       * explanation of how the symbol table pass works
+       * code object (PyCodeObject)
++ Universal
+    - make sure entire test suite passes
+    - fix memory leaks
+    - make sure return types are properly checked for errors
+    - no gcc warnings
+
+References
+----------
+
+.. [Aho86] Alfred V. Aho, Ravi Sethi, Jeffrey D. Ullman.
+   `Compilers: Principles, Techniques, and Tools`,
+   http://www.amazon.com/exec/obidos/tg/detail/-/0201100886/104-0162389-6419108
+
+.. [Wang97]  Daniel C. Wang, Andrew W. Appel, Jeff L. Korn, and Chris
+   S. Serra.  `The Zephyr Abstract Syntax Description Language.`_
+   In Proceedings of the Conference on Domain-Specific Languages, pp.
+   213--227, 1997.
+
+.. _The Zephyr Abstract Syntax Description Language.:
+   http://www.cs.princeton.edu/~danwang/Papers/dsl97/dsl97.html
+
+.. _SPARK: http://pages.cpsc.ucalgary.ca/~aycock/spark/
+