Rename cλash dir to clash so it behaves well within the ghc build tree
[matthijs/master-project/cλash.git] / clash / CLasH / Utils / Core / CoreTools.hs
diff --git a/clash/CLasH/Utils/Core/CoreTools.hs b/clash/CLasH/Utils/Core/CoreTools.hs
new file mode 100644 (file)
index 0000000..2bb688b
--- /dev/null
@@ -0,0 +1,463 @@
+{-# LANGUAGE PatternGuards, TypeSynonymInstances #-}
+-- | This module provides a number of functions to find out things about Core
+-- programs. This module does not provide the actual plumbing to work with
+-- Core and Haskell (it uses HsTools for this), but only the functions that
+-- know about various libraries and know which functions to call.
+module CLasH.Utils.Core.CoreTools where
+
+--Standard modules
+import qualified Maybe
+import qualified System.IO.Unsafe
+import qualified Data.Map as Map
+import qualified Data.Accessor.Monad.Trans.State as MonadState
+
+-- GHC API
+import qualified GHC
+import qualified Type
+import qualified TcType
+import qualified HsExpr
+import qualified HsTypes
+import qualified HscTypes
+import qualified Name
+import qualified Id
+import qualified TyCon
+import qualified DataCon
+import qualified TysWiredIn
+import qualified DynFlags
+import qualified SrcLoc
+import qualified CoreSyn
+import qualified Var
+import qualified IdInfo
+import qualified VarSet
+import qualified CoreUtils
+import qualified CoreFVs
+import qualified Literal
+import qualified MkCore
+import qualified VarEnv
+
+-- Local imports
+import CLasH.Translator.TranslatorTypes
+import CLasH.Utils.GhcTools
+import CLasH.Utils.Core.BinderTools
+import CLasH.Utils.HsTools
+import CLasH.Utils.Pretty
+import CLasH.Utils
+import qualified CLasH.Utils.Core.BinderTools as BinderTools
+
+-- | A single binding, used as a shortcut to simplify type signatures.
+type Binding = (CoreSyn.CoreBndr, CoreSyn.CoreExpr)
+
+-- | Evaluate a core Type representing type level int from the tfp
+-- library to a real int. Checks if the type really is a Dec type and
+-- caches the results.
+tfp_to_int :: Type.Type -> TypeSession Int
+tfp_to_int ty = do
+  hscenv <- MonadState.get tsHscEnv
+  let norm_ty = normalize_tfp_int hscenv ty
+  case Type.splitTyConApp_maybe norm_ty of
+    Just (tycon, args) -> do
+      let name = Name.getOccString (TyCon.tyConName tycon)
+      case name of
+        "Dec" ->
+          tfp_to_int' ty
+        otherwise -> do
+          return $ error ("Callin tfp_to_int on non-dec:" ++ (show ty))
+    Nothing -> return $ error ("Callin tfp_to_int on non-dec:" ++ (show ty))
+
+-- | Evaluate a core Type representing type level int from the tfp
+-- library to a real int. Caches the results. Do not use directly, use
+-- tfp_to_int instead.
+tfp_to_int' :: Type.Type -> TypeSession Int
+tfp_to_int' ty = do
+  lens <- MonadState.get tsTfpInts
+  hscenv <- MonadState.get tsHscEnv
+  let norm_ty = normalize_tfp_int hscenv ty
+  let existing_len = Map.lookup (OrdType norm_ty) lens
+  case existing_len of
+    Just len -> return len
+    Nothing -> do
+      let new_len = eval_tfp_int hscenv ty
+      MonadState.modify tsTfpInts (Map.insert (OrdType norm_ty) (new_len))
+      return new_len
+      
+-- | Evaluate a core Type representing type level int from the tfp
+-- library to a real int. Do not use directly, use tfp_to_int instead.
+eval_tfp_int :: HscTypes.HscEnv -> Type.Type -> Int
+eval_tfp_int env ty =
+  unsafeRunGhc libdir $ do
+    GHC.setSession env
+    -- Automatically import modules for any fully qualified identifiers
+    setDynFlag DynFlags.Opt_ImplicitImportQualified
+
+    let from_int_t_name = mkRdrName "Types.Data.Num.Ops" "fromIntegerT"
+    let from_int_t = SrcLoc.noLoc $ HsExpr.HsVar from_int_t_name
+    let undef = hsTypedUndef $ coreToHsType ty
+    let app = SrcLoc.noLoc $ HsExpr.HsApp (from_int_t) (undef)
+    let int_ty = SrcLoc.noLoc $ HsTypes.HsTyVar TysWiredIn.intTyCon_RDR
+    let expr = HsExpr.ExprWithTySig app int_ty
+    core <- toCore expr
+    execCore core
+  where
+    libdir = DynFlags.topDir dynflags
+    dynflags = HscTypes.hsc_dflags env
+
+normalize_tfp_int :: HscTypes.HscEnv -> Type.Type -> Type.Type
+normalize_tfp_int env ty =
+   System.IO.Unsafe.unsafePerformIO $
+     normalizeType env ty
+
+sized_word_len_ty :: Type.Type -> Type.Type
+sized_word_len_ty ty = len
+  where
+    args = case Type.splitTyConApp_maybe ty of
+      Just (tycon, args) -> args
+      Nothing -> error $ "\nCoreTools.sized_word_len_ty: Not a sized word type: " ++ (pprString ty)
+    [len]         = args
+
+sized_int_len_ty :: Type.Type -> Type.Type
+sized_int_len_ty ty = len
+  where
+    args = case Type.splitTyConApp_maybe ty of
+      Just (tycon, args) -> args
+      Nothing -> error $ "\nCoreTools.sized_int_len_ty: Not a sized int type: " ++ (pprString ty)
+    [len]         = args
+    
+ranged_word_bound_ty :: Type.Type -> Type.Type
+ranged_word_bound_ty ty = len
+  where
+    args = case Type.splitTyConApp_maybe ty of
+      Just (tycon, args) -> args
+      Nothing -> error $ "\nCoreTools.ranged_word_bound_ty: Not a sized word type: " ++ (pprString ty)
+    [len]         = args
+
+tfvec_len_ty :: Type.Type -> Type.Type
+tfvec_len_ty ty = len
+  where  
+    args = case Type.splitTyConApp_maybe ty of
+      Just (tycon, args) -> args
+      Nothing -> error $ "\nCoreTools.tfvec_len_ty: Not a vector type: " ++ (pprString ty)
+    [len, el_ty] = args
+    
+-- | Get the element type of a TFVec type
+tfvec_elem :: Type.Type -> Type.Type
+tfvec_elem ty = el_ty
+  where
+    args = case Type.splitTyConApp_maybe ty of
+      Just (tycon, args) -> args
+      Nothing -> error $ "\nCoreTools.tfvec_len: Not a vector type: " ++ (pprString ty)
+    [len, el_ty] = args
+
+-- Is the given core expression a lambda abstraction?
+is_lam :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_lam (CoreSyn.Lam _ _) = True
+is_lam _ = False
+
+-- Is the given core expression a let expression?
+is_let :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_let (CoreSyn.Let _ _) = True
+is_let _ = False
+
+-- Is the given core expression of a function type?
+is_fun :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+-- Treat Type arguments differently, because exprType is not defined for them.
+is_fun (CoreSyn.Type _) = False
+is_fun expr = (Type.isFunTy . CoreUtils.exprType) expr
+
+-- Is the given core expression polymorphic (i.e., does it accept type
+-- arguments?).
+is_poly :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+-- Treat Type arguments differently, because exprType is not defined for them.
+is_poly (CoreSyn.Type _) = False
+is_poly expr = (Maybe.isJust . Type.splitForAllTy_maybe . CoreUtils.exprType) expr
+
+-- Is the given core expression a variable reference?
+is_var :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_var (CoreSyn.Var _) = True
+is_var _ = False
+
+is_lit :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_lit (CoreSyn.Lit _) = True
+is_lit _ = False
+
+-- Can the given core expression be applied to something? This is true for
+-- applying to a value as well as a type.
+is_applicable :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_applicable expr = is_fun expr || is_poly expr
+
+-- Is the given core expression a variable or an application?
+is_simple :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+is_simple (CoreSyn.App _ _) = True
+is_simple (CoreSyn.Var _) = True
+is_simple (CoreSyn.Cast expr _) = is_simple expr
+is_simple _ = False
+
+-- Does the given CoreExpr have any free type vars?
+has_free_tyvars :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+has_free_tyvars = not . VarSet.isEmptyVarSet . (CoreFVs.exprSomeFreeVars Var.isTyVar)
+
+-- Does the given type have any free type vars?
+ty_has_free_tyvars :: Type.Type -> Bool
+ty_has_free_tyvars = not . VarSet.isEmptyVarSet . Type.tyVarsOfType
+
+-- Does the given CoreExpr have any free local vars?
+has_free_vars :: CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+has_free_vars = not . VarSet.isEmptyVarSet . CoreFVs.exprFreeVars
+
+-- Does the given expression use any of the given binders?
+expr_uses_binders :: [CoreSyn.CoreBndr] -> CoreSyn.CoreExpr -> Bool
+expr_uses_binders bndrs = not . VarSet.isEmptyVarSet . (CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` bndrs))
+
+-- Turns a Var CoreExpr into the Id inside it. Will of course only work for
+-- simple Var CoreExprs, not complexer ones.
+exprToVar :: CoreSyn.CoreExpr -> Var.Id
+exprToVar (CoreSyn.Var id) = id
+exprToVar expr = error $ "\nCoreTools.exprToVar: Not a var: " ++ show expr
+
+-- Turns a Lit CoreExpr into the Literal inside it.
+exprToLit :: CoreSyn.CoreExpr -> Literal.Literal
+exprToLit (CoreSyn.Lit lit) = lit
+exprToLit expr = error $ "\nCoreTools.exprToLit: Not a lit: " ++ show expr
+
+-- Removes all the type and dictionary arguments from the given argument list,
+-- leaving only the normal value arguments. The type given is the type of the
+-- expression applied to this argument list.
+get_val_args :: Type.Type -> [CoreSyn.CoreExpr] -> [CoreSyn.CoreExpr]
+get_val_args ty args = drop n args
+  where
+    (tyvars, predtypes, _) = TcType.tcSplitSigmaTy ty
+    -- The first (length tyvars) arguments should be types, the next 
+    -- (length predtypes) arguments should be dictionaries. We drop this many
+    -- arguments, to get at the value arguments.
+    n = length tyvars + length predtypes
+
+-- Finds out what literal Integer this expression represents.
+getIntegerLiteral :: CoreSyn.CoreExpr -> TranslatorSession Integer
+getIntegerLiteral expr =
+  case CoreSyn.collectArgs expr of
+    (CoreSyn.Var f, [CoreSyn.Lit (Literal.MachInt integer)]) 
+      | getFullString f == "GHC.Integer.smallInteger" -> return integer
+    (CoreSyn.Var f, [CoreSyn.Lit (Literal.MachInt64 integer)]) 
+      | getFullString f == "GHC.Integer.int64ToInteger" -> return integer
+    (CoreSyn.Var f, [CoreSyn.Lit (Literal.MachWord integer)]) 
+      | getFullString f == "GHC.Integer.wordToInteger" -> return integer
+    (CoreSyn.Var f, [CoreSyn.Lit (Literal.MachWord64 integer)]) 
+      | getFullString f == "GHC.Integer.word64ToInteger" -> return integer
+    -- fromIntegerT returns the integer corresponding to the type of its
+    -- (third) argument. Since it is polymorphic, the type of that
+    -- argument is passed as the first argument, so we can just use that
+    -- one.
+    (CoreSyn.Var f, [CoreSyn.Type dec_ty, dec_dict, CoreSyn.Type num_ty, num_dict, arg]) 
+      | getFullString f == "Types.Data.Num.Ops.fromIntegerT" -> do
+          int <- MonadState.lift tsType $ tfp_to_int dec_ty
+          return $ toInteger int
+    _ -> error $ "CoreTools.getIntegerLiteral: Unsupported Integer literal: " ++ pprString expr
+
+reduceCoreListToHsList :: 
+  [HscTypes.CoreModule] -- ^ The modules where parts of the list are hidden
+  -> CoreSyn.CoreExpr   -- ^ The refence to atleast one of the nodes
+  -> TranslatorSession [CoreSyn.CoreExpr]
+reduceCoreListToHsList cores app@(CoreSyn.App _ _) = do {
+  ; let { (fun, args) = CoreSyn.collectArgs app
+        ; len         = length args 
+        } ;
+  ; case len of
+      3 -> do {
+        ; let topelem = args!!1
+        ; case (args!!2) of
+            (varz@(CoreSyn.Var id)) -> do {
+              ; binds <- mapM (findExpr (isVarName id)) cores
+              ; otherelems <- reduceCoreListToHsList cores (head (Maybe.catMaybes binds))
+              ; return (topelem:otherelems)
+              }
+            (appz@(CoreSyn.App _ _)) -> do {
+              ; otherelems <- reduceCoreListToHsList cores appz
+              ; return (topelem:otherelems)
+              }
+            otherwise -> return [topelem]
+        }
+      otherwise -> return []
+  }
+  where
+    isVarName :: Monad m => Var.Var -> Var.Var -> m Bool
+    isVarName lookfor bind = return $ (Var.varName lookfor) == (Var.varName bind)
+
+reduceCoreListToHsList _ _ = return []
+
+-- Is the given var the State data constructor?
+isStateCon :: Var.Var -> Bool
+isStateCon var =
+  -- See if it is a DataConWrapId (not DataConWorkId, since State is a
+  -- newtype).
+  case Id.idDetails var of
+    IdInfo.DataConWrapId dc -> 
+      -- See if the datacon is the State datacon from the State type.
+      let tycon = DataCon.dataConTyCon dc
+          tyname = Name.getOccString tycon
+          dcname = Name.getOccString dc
+      in case (tyname, dcname) of
+        ("State", "State") -> True
+        _ -> False
+    _ -> False
+
+-- | Is the given type a State type?
+isStateType :: Type.Type -> Bool
+-- Resolve any type synonyms remaining
+isStateType ty | Just ty' <- Type.tcView ty = isStateType ty'
+isStateType ty  = Maybe.isJust $ do
+  -- Split the type. Don't use normal splitAppTy, since that looks through
+  -- newtypes, and we want to see the State newtype.
+  (typef, _) <- Type.repSplitAppTy_maybe ty
+  -- See if the applied type is a type constructor
+  (tycon, _) <- Type.splitTyConApp_maybe typef
+  if TyCon.isNewTyCon tycon && Name.getOccString tycon == "State"
+    then
+      Just ()
+    else
+      Nothing
+
+-- | Does the given TypedThing have a State type?
+hasStateType :: (TypedThing t) => t -> Bool
+hasStateType expr = case getType expr of
+  Nothing -> False
+  Just ty -> isStateType ty
+
+
+-- | Flattens nested lets into a single list of bindings. The expression
+--   passed does not have to be a let expression, if it isn't an empty list of
+--   bindings is returned.
+flattenLets ::
+  CoreSyn.CoreExpr -- ^ The expression to flatten.
+  -> ([Binding], CoreSyn.CoreExpr) -- ^ The bindings and resulting expression.
+flattenLets (CoreSyn.Let binds expr) = 
+  (bindings ++ bindings', expr')
+  where
+    -- Recursively flatten the contained expression
+    (bindings', expr') =flattenLets expr
+    -- Flatten our own bindings to remove the Rec / NonRec constructors
+    bindings = CoreSyn.flattenBinds [binds]
+flattenLets expr = ([], expr)
+
+-- | Create bunch of nested non-recursive let expressions from the given
+-- bindings. The first binding is bound at the highest level (and thus
+-- available in all other bindings).
+mkNonRecLets :: [Binding] -> CoreSyn.CoreExpr -> CoreSyn.CoreExpr
+mkNonRecLets bindings expr = MkCore.mkCoreLets binds expr
+  where
+    binds = map (uncurry CoreSyn.NonRec) bindings
+
+-- | A class of things that (optionally) have a core Type. The type is
+-- optional, since Type expressions don't have a type themselves.
+class TypedThing t where
+  getType :: t -> Maybe Type.Type
+
+instance TypedThing CoreSyn.CoreExpr where
+  getType (CoreSyn.Type _) = Nothing
+  getType expr = Just $ CoreUtils.exprType expr
+
+instance TypedThing CoreSyn.CoreBndr where
+  getType = return . Id.idType
+
+instance TypedThing Type.Type where
+  getType = return . id
+
+-- | Generate new uniques for all binders in the given expression.
+-- Does not support making type variables unique, though this could be
+-- supported if required (by passing a CoreSubst.Subst instead of VarEnv to
+-- genUniques' below).
+genUniques :: CoreSyn.CoreExpr -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr
+genUniques = genUniques' VarEnv.emptyVarEnv
+
+-- | A helper function to generate uniques, that takes a VarEnv containing the
+--   substitutions already performed.
+genUniques' :: VarEnv.VarEnv CoreSyn.CoreBndr -> CoreSyn.CoreExpr -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr
+genUniques' subst (CoreSyn.Var f) = do
+  -- Replace the binder with its new value, if applicable.
+  let f' = VarEnv.lookupWithDefaultVarEnv subst f f
+  return (CoreSyn.Var f')
+-- Leave literals untouched
+genUniques' subst (CoreSyn.Lit l) = return $ CoreSyn.Lit l
+genUniques' subst (CoreSyn.App f arg) = do
+  -- Only work on subexpressions
+  f' <- genUniques' subst f
+  arg' <- genUniques' subst arg
+  return (CoreSyn.App f' arg')
+-- Don't change type abstractions
+genUniques' subst expr@(CoreSyn.Lam bndr res) | CoreSyn.isTyVar bndr = return expr
+genUniques' subst (CoreSyn.Lam bndr res) = do
+  -- Generate a new unique for the bound variable
+  (subst', bndr') <- genUnique subst bndr
+  res' <- genUniques' subst' res
+  return (CoreSyn.Lam bndr' res')
+genUniques' subst (CoreSyn.Let (CoreSyn.NonRec bndr bound) res) = do
+  -- Make the binders unique
+  (subst', bndr') <- genUnique subst bndr
+  bound' <- genUniques' subst' bound
+  res' <- genUniques' subst' res
+  return $ CoreSyn.Let (CoreSyn.NonRec bndr' bound') res'
+genUniques' subst (CoreSyn.Let (CoreSyn.Rec binds) res) = do
+  -- Make each of the binders unique
+  (subst', bndrs') <- mapAccumLM genUnique subst (map fst binds)
+  bounds' <- mapM (genUniques' subst' . snd) binds
+  res' <- genUniques' subst' res
+  let binds' = zip bndrs' bounds'
+  return $ CoreSyn.Let (CoreSyn.Rec binds') res'
+genUniques' subst (CoreSyn.Case scrut bndr ty alts) = do
+  -- Process the scrutinee with the original substitution, since non of the
+  -- binders bound in the Case statement is in scope in the scrutinee.
+  scrut' <- genUniques' subst scrut
+  -- Generate a new binder for the scrutinee
+  (subst', bndr') <- genUnique subst bndr
+  -- Process each of the alts
+  alts' <- mapM (doalt subst') alts
+  return $ CoreSyn.Case scrut' bndr' ty alts'
+  where
+    doalt subst (con, bndrs, expr) = do
+      (subst', bndrs') <- mapAccumLM genUnique subst bndrs
+      expr' <- genUniques' subst' expr
+      -- Note that we don't return subst', since bndrs are only in scope in
+      -- expr.
+      return (con, bndrs', expr')
+genUniques' subst (CoreSyn.Cast expr coercion) = do
+  expr' <- genUniques' subst expr
+  -- Just process the casted expression
+  return $ CoreSyn.Cast expr' coercion
+genUniques' subst (CoreSyn.Note note expr) = do
+  expr' <- genUniques' subst expr
+  -- Just process the annotated expression
+  return $ CoreSyn.Note note expr'
+-- Leave types untouched
+genUniques' subst expr@(CoreSyn.Type _) = return expr
+
+-- Generate a new unique for the given binder, and extend the given
+-- substitution to reflect this.
+genUnique :: VarEnv.VarEnv CoreSyn.CoreBndr -> CoreSyn.CoreBndr -> TranslatorSession (VarEnv.VarEnv CoreSyn.CoreBndr, CoreSyn.CoreBndr)
+genUnique subst bndr = do
+  bndr' <- BinderTools.cloneVar bndr
+  -- Replace all occurences of the old binder with a reference to the new
+  -- binder.
+  let subst' = VarEnv.extendVarEnv subst bndr bndr'
+  return (subst', bndr')
+
+-- Create a "selector" case that selects the ith field from a datacon
+mkSelCase :: CoreSyn.CoreExpr -> Int -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr
+mkSelCase scrut i = do
+  let scrut_ty = CoreUtils.exprType scrut
+  case Type.splitTyConApp_maybe scrut_ty of
+    -- The scrutinee should have a type constructor. We keep the type
+    -- arguments around so we can instantiate the field types below
+    Just (tycon, tyargs) -> case TyCon.tyConDataCons tycon of
+      -- The scrutinee type should have a single dataconstructor,
+      -- otherwise we can't construct a valid selector case.
+      [datacon] -> do
+        let field_tys = DataCon.dataConInstOrigArgTys datacon tyargs
+        -- Create a list of wild binders for the fields we don't want
+        let wildbndrs = map MkCore.mkWildBinder field_tys
+        -- Create a single binder for the field we want
+        sel_bndr <- mkInternalVar "sel" (field_tys!!i)
+        -- Create a wild binder for the scrutinee
+        let scrut_bndr = MkCore.mkWildBinder scrut_ty
+        -- Create the case expression
+        let binders = take i wildbndrs ++ [sel_bndr] ++ drop (i+1) wildbndrs
+        return $ CoreSyn.Case scrut scrut_bndr scrut_ty [(CoreSyn.DataAlt datacon, binders, CoreSyn.Var sel_bndr)]
+      dcs -> error $ "CoreTools.mkSelCase: Scrutinee type must have exactly one datacon. Extracting element " ++ (show i) ++ " from '" ++ pprString scrut ++ "' Datacons: " ++ (show dcs) ++ " Type: " ++ (pprString scrut_ty)
+    Nothing -> error $ "CoreTools.mkSelCase: Creating extractor case, but scrutinee has no tycon? Extracting element " ++ (show i) ++ " from '" ++ pprString scrut ++ "'" ++ " Type: " ++ (pprString scrut_ty)