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Jack2LLVM

简介

本项目实现面向对象语言Jack的编译器前端，将其翻译为LLVMIR，并通过llc工具接入X86后端，经过ld链接后产生可执行代码。

1. 语言

Jack是一门面向对象语言，其语言设计主体来自Nand2Tetris（https://www.nand2tetris.org/） ，但原版Jack并不包含面向对象的支持，同时其他语法特性也比较简单。我个人在此基础上进行了修改，在面向对象方面添加了对继承、多态（虚函数）的支持；而在基础语法方面多支持了boolean、char等类型，以及castExpression进行类型转换。

详细的语法请参照Jack.g4，基本是正则表达式的语法。也可以参考下方的简略语法对照图作为入口：

image

2. 系统调用支持

得益于LLVMIR良好的抽象，在ABI Compatible的基础上，我们可以复用C Library中的所有函数，包括C语言中封装好的系统函数。

目前我们支持system.putchar(), system.puts(), system.getchar()，system.rand()。在Jack LLVMIR中我们只是按照对应的函数签名对这些系统函数进行了声明，在后期通过gcc的链接器，与C语言的函数库进行链接，从而完成对C语言相应系统函数的调用。

3. 编译流程图

image

  1. game.jack中是用Jack语法写作的应用程序。
  2. 通过本项目实现的编译器前端jack2llvm，将game.jack转化为game.ll，此时已经是Jack LLVMIR。
  3. 通过LLVM工具llc将game.ll编译为game.o。llc是将LLVMIR接入对应Architecture（这里是X86）后端并按照对应文件类型（这里是obj）进行代码生成的工具。
  4. obj文件不能直接运行，因此我们需要写一些driver code。这里采用最简单的方式，写一个test.cpp，在里面调用game.jack的入口(Main_main()函数)。
  5. 通过gcc将game.o与test.cpp链接成可执行文件。

4. Parsing流程

jack2llvm编译器前端的一些实现思路，有兴趣调试编译器的朋友可供参考：

首先是不含继承的Parsing流程： image

对于继承来说，主要是处理虚函数和成员。含有继承的Parsing流程： image

5. 如何上手

你可以通过Demo: “tests/Demo/MineSweeping”作为例子来调试Jack语言或编译器。这是一个非常简单的10x10扫雷游戏：

除此以外，在"tests"文件夹下还有针对所有语言特性的单测。其中“tests/InheritanceUnitTests/ComplexCallMethodTest”包含了继承、多态等相对复杂一些的特性，同时也可以直接编译运行，可以作为参考。

其余部分的单测只是检查Jack LLVMIR的正确性，如果想要在X86机器上运行这些单测，需要额外写一个test.cpp作为driver。详情可以参考“tests/InheritanceUnitTests/ComplexCallMethodTest/test.cpp”以及“tests/InheritanceUnitTests/ComplexCallMethodTest/Makefile”进行编译配置。

编译安装

目前只在Linux（Ubuntu）环境下进行过测试。

  1. 下载本项目
git clone https://github.com/jim19930609/Jack2LLVM.git
  1. Install dependencies

[MacOS]

brew install glog
brew install java
brew install wget

[Linux]

sudo apt update
sudo apt install aptitude
sudo apt install clang-11

sudo aptitude update
sudo aptitude install -y libgflags-dev
sudo aptitude install -y libgoogle-glog-dev
sudo aptitude install -y default-jre

Set default compiler to clang

export CXX=clang++-11
  1. Download pre-compiled llvm library MacOS:
wget https://github.com/jim19930609/Jack2LLVM/releases/download/llvm/llvm-10.0.0-m1.zip
tar -xf llvm-10.0.0-m1.zip && mv llvm-10.0.0-m1 Jack2LLVM/third_party

Linux:

wget https://github.com/jim19930609/Jack2LLVM/releases/download/llvm/taichi-llvm-10.0.0-linux.zip
unzip taichi-llvm-10.0.0-linux.zip && mv taichi-llvm-10.0.0-linux Jack2LLVM/third_party
  1. 编译Jack2LLVM
mkdir build 
cd build && cmake .. && make -j
  1. 编译并运行Demo
cd tests/Demo/MineSweeping/
make
./main