36990dffc5e3cb733c12604765739168001ae934
[matthijs/master-project/cλash.git] / cλash / CLasH / Normalize.hs
1 {-# LANGUAGE PackageImports #-}
2 --
3 -- Functions to bring a Core expression in normal form. This module provides a
4 -- top level function "normalize", and defines the actual transformation passes that
5 -- are performed.
6 --
7 module CLasH.Normalize (getNormalized, normalizeExpr, splitNormalized) where
8
9 -- Standard modules
10 import Debug.Trace
11 import qualified Maybe
12 import qualified List
13 import qualified "transformers" Control.Monad.Trans as Trans
14 import qualified Control.Monad as Monad
15 import qualified Control.Monad.Trans.Writer as Writer
16 import qualified Data.Accessor.Monad.Trans.State as MonadState
17 import qualified Data.Monoid as Monoid
18 import qualified Data.Map as Map
19
20 -- GHC API
21 import CoreSyn
22 import qualified CoreUtils
23 import qualified Type
24 import qualified Id
25 import qualified Var
26 import qualified Name
27 import qualified VarSet
28 import qualified CoreFVs
29 import qualified Class
30 import qualified MkCore
31 import Outputable ( showSDoc, ppr, nest )
32
33 -- Local imports
34 import CLasH.Normalize.NormalizeTypes
35 import CLasH.Translator.TranslatorTypes
36 import CLasH.Normalize.NormalizeTools
37 import CLasH.VHDL.Constants (builtinIds)
38 import qualified CLasH.Utils as Utils
39 import CLasH.Utils.Core.CoreTools
40 import CLasH.Utils.Core.BinderTools
41 import CLasH.Utils.Pretty
42
43 --------------------------------
44 -- Start of transformations
45 --------------------------------
46
47 --------------------------------
48 -- η expansion
49 --------------------------------
50 -- Make sure all parameters to the normalized functions are named by top
51 -- level lambda expressions. For this we apply η expansion to the
52 -- function body (possibly enclosed in some lambda abstractions) while
53 -- it has a function type. Eventually this will result in a function
54 -- body consisting of a bunch of nested lambdas containing a
55 -- non-function value (e.g., a complete application).
56 eta, etatop :: Transform
57 eta c expr | is_fun expr && not (is_lam expr) && all (== LambdaBody) c = do
58   let arg_ty = (fst . Type.splitFunTy . CoreUtils.exprType) expr
59   id <- Trans.lift $ mkInternalVar "param" arg_ty
60   change (Lam id (App expr (Var id)))
61 -- Leave all other expressions unchanged
62 eta c e = return e
63 etatop = everywhere ("eta", eta)
64
65 --------------------------------
66 -- β-reduction
67 --------------------------------
68 beta, betatop :: Transform
69 -- Substitute arg for x in expr. For value lambda's, also clone before
70 -- substitution.
71 beta c (App (Lam x expr) arg) | CoreSyn.isTyVar x = setChanged >> substitute x arg c expr
72                               | otherwise         = setChanged >> substitute_clone x arg c expr
73 -- Propagate the application into the let
74 beta c (App (Let binds expr) arg) = change $ Let binds (App expr arg)
75 -- Propagate the application into each of the alternatives
76 beta c (App (Case scrut b ty alts) arg) = change $ Case scrut b ty' alts'
77   where 
78     alts' = map (\(con, bndrs, expr) -> (con, bndrs, (App expr arg))) alts
79     ty' = CoreUtils.applyTypeToArg ty arg
80 -- Leave all other expressions unchanged
81 beta c expr = return expr
82 -- Perform this transform everywhere
83 betatop = everywhere ("beta", beta)
84
85 --------------------------------
86 -- Cast propagation
87 --------------------------------
88 -- Try to move casts as much downward as possible.
89 castprop, castproptop :: Transform
90 castprop c (Cast (Let binds expr) ty) = change $ Let binds (Cast expr ty)
91 castprop c expr@(Cast (Case scrut b _ alts) ty) = change (Case scrut b ty alts')
92   where
93     alts' = map (\(con, bndrs, expr) -> (con, bndrs, (Cast expr ty))) alts
94 -- Leave all other expressions unchanged
95 castprop c expr = return expr
96 -- Perform this transform everywhere
97 castproptop = everywhere ("castprop", castprop)
98
99 --------------------------------
100 -- Cast simplification. Mostly useful for state packing and unpacking, but
101 -- perhaps for others as well.
102 --------------------------------
103 castsimpl, castsimpltop :: Transform
104 castsimpl c expr@(Cast val ty) = do
105   -- Don't extract values that are already simpl
106   local_var <- Trans.lift $ is_local_var val
107   -- Don't extract values that are not representable, to prevent loops with
108   -- inlinenonrep
109   repr <- isRepr val
110   if (not local_var) && repr
111     then do
112       -- Generate a binder for the expression
113       id <- Trans.lift $ mkBinderFor val "castval"
114       -- Extract the expression
115       change $ Let (NonRec id val) (Cast (Var id) ty)
116     else
117       return expr
118 -- Leave all other expressions unchanged
119 castsimpl c expr = return expr
120 -- Perform this transform everywhere
121 castsimpltop = everywhere ("castsimpl", castsimpl)
122
123 --------------------------------
124 -- Return value simplification
125 --------------------------------
126 -- Ensure the return value of a function follows proper normal form. eta
127 -- expansion ensures the body starts with lambda abstractions, this
128 -- transformation ensures that the lambda abstractions always contain a
129 -- recursive let and that, when the return value is representable, the
130 -- let contains a local variable reference in its body.
131 retvalsimpl c expr@(Let (Rec binds) body) | all (== LambdaBody) c = do
132   -- Don't extract values that are already a local variable, to prevent
133   -- loops with ourselves.
134   local_var <- Trans.lift $ is_local_var body
135   -- Don't extract values that are not representable, to prevent loops with
136   -- inlinenonrep
137   repr <- isRepr body
138   if not local_var && repr
139     then do
140       id <- Trans.lift $ mkBinderFor body "res" 
141       change $ Let (Rec ((id, body):binds)) (Var id)
142     else
143       return expr
144
145 retvalsimpl c expr | all (== LambdaBody) c && not (is_lam expr) && not (is_let expr) = do
146   local_var <- Trans.lift $ is_local_var expr
147   repr <- isRepr expr
148   if not local_var && repr
149     then do
150       id <- Trans.lift $ mkBinderFor expr "res" 
151       change $ Let (Rec [(id, expr)]) (Var id)
152     else
153       return expr
154
155 -- Leave all other expressions unchanged
156 retvalsimpl c expr = return expr
157 -- Perform this transform everywhere
158 retvalsimpltop = everywhere ("retvalsimpl", retvalsimpl)
159
160 --------------------------------
161 -- let derecursification
162 --------------------------------
163 letrec, letrectop :: Transform
164 letrec c expr@(Let (NonRec bndr val) res) = 
165   change $ Let (Rec [(bndr, val)]) res
166
167 -- Leave all other expressions unchanged
168 letrec c expr = return expr
169 -- Perform this transform everywhere
170 letrectop = everywhere ("letrec", letrec)
171
172 --------------------------------
173 -- let flattening
174 --------------------------------
175 -- Takes a let that binds another let, and turns that into two nested lets.
176 -- e.g., from:
177 -- let b = (let b' = expr' in res') in res
178 -- to:
179 -- let b' = expr' in (let b = res' in res)
180 letflat, letflattop :: Transform
181 -- Turn a nonrec let that binds a let into two nested lets.
182 letflat c (Let (NonRec b (Let binds  res')) res) = 
183   change $ Let binds (Let (NonRec b res') res)
184 letflat c (Let (Rec binds) expr) = do
185   -- Flatten each binding.
186   binds' <- Utils.concatM $ Monad.mapM flatbind binds
187   -- Return the new let. We don't use change here, since possibly nothing has
188   -- changed. If anything has changed, flatbind has already flagged that
189   -- change.
190   return $ Let (Rec binds') expr
191   where
192     -- Turns a binding of a let into a multiple bindings, or any other binding
193     -- into a list with just that binding
194     flatbind :: (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
195     flatbind (b, Let (Rec binds) expr) = change ((b, expr):binds)
196     flatbind (b, Let (NonRec b' expr') expr) = change [(b, expr), (b', expr')]
197     flatbind (b, expr) = return [(b, expr)]
198 -- Leave all other expressions unchanged
199 letflat c expr = return expr
200 -- Perform this transform everywhere
201 letflattop = everywhere ("letflat", letflat)
202
203 --------------------------------
204 -- empty let removal
205 --------------------------------
206 -- Remove empty (recursive) lets
207 letremove, letremovetop :: Transform
208 letremove c (Let (Rec []) res) = change res
209 -- Leave all other expressions unchanged
210 letremove c expr = return expr
211 -- Perform this transform everywhere
212 letremovetop = everywhere ("letremove", letremove)
213
214 --------------------------------
215 -- Simple let binding removal
216 --------------------------------
217 -- Remove a = b bindings from let expressions everywhere
218 letremovesimpletop :: Transform
219 letremovesimpletop = everywhere ("letremovesimple", inlinebind (\(b, e) -> Trans.lift $ is_local_var e))
220
221 --------------------------------
222 -- Unused let binding removal
223 --------------------------------
224 letremoveunused, letremoveunusedtop :: Transform
225 letremoveunused c expr@(Let (NonRec b bound) res) = do
226   let used = expr_uses_binders [b] res
227   if used
228     then return expr
229     else change res
230 letremoveunused c expr@(Let (Rec binds) res) = do
231   -- Filter out all unused binds.
232   let binds' = filter dobind binds
233   -- Only set the changed flag if binds got removed
234   changeif (length binds' /= length binds) (Let (Rec binds') res)
235     where
236       bound_exprs = map snd binds
237       -- For each bind check if the bind is used by res or any of the bound
238       -- expressions
239       dobind (bndr, _) = any (expr_uses_binders [bndr]) (res:bound_exprs)
240 -- Leave all other expressions unchanged
241 letremoveunused c expr = return expr
242 letremoveunusedtop = everywhere ("letremoveunused", letremoveunused)
243
244 {-
245 --------------------------------
246 -- Identical let binding merging
247 --------------------------------
248 -- Merge two bindings in a let if they are identical 
249 -- TODO: We would very much like to use GHC's CSE module for this, but that
250 -- doesn't track if something changed or not, so we can't use it properly.
251 letmerge, letmergetop :: Transform
252 letmerge c expr@(Let _ _) = do
253   let (binds, res) = flattenLets expr
254   binds' <- domerge binds
255   return $ mkNonRecLets binds' res
256   where
257     domerge :: [(CoreBndr, CoreExpr)] -> TransformMonad [(CoreBndr, CoreExpr)]
258     domerge [] = return []
259     domerge (e:es) = do 
260       es' <- mapM (mergebinds e) es
261       es'' <- domerge es'
262       return (e:es'')
263
264     -- Uses the second bind to simplify the second bind, if applicable.
265     mergebinds :: (CoreBndr, CoreExpr) -> (CoreBndr, CoreExpr) -> TransformMonad (CoreBndr, CoreExpr)
266     mergebinds (b1, e1) (b2, e2)
267       -- Identical expressions? Replace the second binding with a reference to
268       -- the first binder.
269       | CoreUtils.cheapEqExpr e1 e2 = change $ (b2, Var b1)
270       -- Different expressions? Don't change
271       | otherwise = return (b2, e2)
272 -- Leave all other expressions unchanged
273 letmerge c expr = return expr
274 letmergetop = everywhere ("letmerge", letmerge)
275 -}
276
277 --------------------------------
278 -- Non-representable binding inlining
279 --------------------------------
280 -- Remove a = B bindings, with B of a non-representable type, from let
281 -- expressions everywhere. This means that any value that we can't generate a
282 -- signal for, will be inlined and hopefully turned into something we can
283 -- represent.
284 --
285 -- This is a tricky function, which is prone to create loops in the
286 -- transformations. To fix this, we make sure that no transformation will
287 -- create a new let binding with a non-representable type. These other
288 -- transformations will just not work on those function-typed values at first,
289 -- but the other transformations (in particular β-reduction) should make sure
290 -- that the type of those values eventually becomes representable.
291 inlinenonreptop :: Transform
292 inlinenonreptop = everywhere ("inlinenonrep", inlinebind ((Monad.liftM not) . isRepr . snd))
293
294 --------------------------------
295 -- Top level function inlining
296 --------------------------------
297 -- This transformation inlines simple top level bindings. Simple
298 -- currently means that the body is only a single application (though
299 -- the complexity of the arguments is not currently checked) or that the
300 -- normalized form only contains a single binding. This should catch most of the
301 -- cases where a top level function is created that simply calls a type class
302 -- method with a type and dictionary argument, e.g.
303 --   fromInteger = GHC.Num.fromInteger (SizedWord D8) $dNum
304 -- which is later called using simply
305 --   fromInteger (smallInteger 10)
306 --
307 -- These useless wrappers are created by GHC automatically. If we don't
308 -- inline them, we get loads of useless components cluttering the
309 -- generated VHDL.
310 --
311 -- Note that the inlining could also inline simple functions defined by
312 -- the user, not just GHC generated functions. It turns out to be near
313 -- impossible to reliably determine what functions are generated and
314 -- what functions are user-defined. Instead of guessing (which will
315 -- inline less than we want) we will just inline all simple functions.
316 --
317 -- Only functions that are actually completely applied and bound by a
318 -- variable in a let expression are inlined. These are the expressions
319 -- that will eventually generate instantiations of trivial components.
320 -- By not inlining any other reference, we also prevent looping problems
321 -- with funextract and inlinedict.
322 inlinetoplevel, inlinetopleveltop :: Transform
323 inlinetoplevel (LetBinding:_) expr | not (is_fun expr) =
324   case collectArgs expr of
325         (Var f, args) -> do
326           body_maybe <- needsInline f
327           case body_maybe of
328                 Just body -> do
329                         -- Regenerate all uniques in the to-be-inlined expression
330                         body_uniqued <- Trans.lift $ genUniques body
331                         -- And replace the variable reference with the unique'd body.
332                         change (mkApps body_uniqued args)
333                         -- No need to inline
334                 Nothing -> return expr
335         -- This is not an application of a binder, leave it unchanged.
336         _ -> return expr
337
338 -- Leave all other expressions unchanged
339 inlinetoplevel c expr = return expr
340 inlinetopleveltop = everywhere ("inlinetoplevel", inlinetoplevel)
341   
342 -- | Does the given binder need to be inlined? If so, return the body to
343 -- be used for inlining.
344 needsInline :: CoreBndr -> TransformMonad (Maybe CoreExpr)
345 needsInline f = do
346   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
347   case body_maybe of
348     -- No body available?
349     Nothing -> return Nothing
350     Just body -> case CoreSyn.collectArgs body of
351       -- The body is some (top level) binder applied to 0 or more
352       -- arguments. That should be simple enough to inline.
353       (Var f, args) -> return $ Just body
354       -- Body is more complicated, try normalizing it
355       _ -> do
356         norm_maybe <- Trans.lift $ getNormalized_maybe f
357         case norm_maybe of
358           -- Noth normalizeable
359           Nothing -> return Nothing 
360           Just norm -> case splitNormalized norm of
361             -- The function has just a single binding, so that's simple
362             -- enough to inline.
363             (args, [bind], res) -> return $ Just norm
364             -- More complicated function, don't inline
365             _ -> return Nothing
366             
367 --------------------------------
368 -- Dictionary inlining
369 --------------------------------
370 -- Inline all top level dictionaries, that are in a position where
371 -- classopresolution can actually resolve them. This makes this
372 -- transformation look similar to classoperesolution below, but we'll
373 -- keep them separated for clarity. By not inlining other dictionaries,
374 -- we prevent expression sizes exploding when huge type level integer
375 -- dictionaries are inlined which can never be expanded (in casts, for
376 -- example).
377 inlinedict c expr@(App (App (Var sel) ty) (Var dict)) | not is_builtin && is_classop = do
378   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind dict
379   case body_maybe of
380     -- No body available (no source available, or a local variable /
381     -- argument)
382     Nothing -> return expr
383     Just body -> change (App (App (Var sel) ty) body)
384   where
385     -- Is this a builtin function / method?
386     is_builtin = elem (Name.getOccString sel) builtinIds
387     -- Are we dealing with a class operation selector?
388     is_classop = Maybe.isJust (Id.isClassOpId_maybe sel)
389
390 -- Leave all other expressions unchanged
391 inlinedict c expr = return expr
392 inlinedicttop = everywhere ("inlinedict", inlinedict)
393
394 --------------------------------
395 -- ClassOp resolution
396 --------------------------------
397 -- Resolves any class operation to the actual operation whenever
398 -- possible. Class methods (as well as parent dictionary selectors) are
399 -- special "functions" that take a type and a dictionary and evaluate to
400 -- the corresponding method. A dictionary is nothing more than a
401 -- special dataconstructor applied to the type the dictionary is for,
402 -- each of the superclasses and all of the class method definitions for
403 -- that particular type. Since dictionaries all always inlined (top
404 -- levels dictionaries are inlined by inlinedict, local dictionaries are
405 -- inlined by inlinenonrep), we will eventually have something like:
406 --
407 --   baz
408 --     @ CLasH.HardwareTypes.Bit
409 --     (D:Baz @ CLasH.HardwareTypes.Bit bitbaz)
410 --
411 -- Here, baz is the method selector for the baz method, while
412 -- D:Baz is the dictionary constructor for the Baz and bitbaz is the baz
413 -- method defined in the Baz Bit instance declaration.
414 --
415 -- To resolve this, we can look at the ClassOp IdInfo from the baz Id,
416 -- which contains the Class it is defined for. From the Class, we can
417 -- get a list of all selectors (both parent class selectors as well as
418 -- method selectors). Since the arguments to D:Baz (after the type
419 -- argument) correspond exactly to this list, we then look up baz in
420 -- that list and replace the entire expression by the corresponding 
421 -- argument to D:Baz.
422 --
423 -- We don't resolve methods that have a builtin translation (such as
424 -- ==), since the actual implementation is not always (easily)
425 -- translateable. For example, when deriving ==, GHC generates code
426 -- using $con2tag functions to translate a datacon to an int and compare
427 -- that with GHC.Prim.==# . Better to avoid that for now.
428 classopresolution, classopresolutiontop :: Transform
429 classopresolution c expr@(App (App (Var sel) ty) dict) | not is_builtin =
430   case Id.isClassOpId_maybe sel of
431     -- Not a class op selector
432     Nothing -> return expr
433     Just cls -> case collectArgs dict of
434       (_, []) -> return expr -- Dict is not an application (e.g., not inlined yet)
435       (Var dictdc, (ty':selectors)) | not (Maybe.isJust (Id.isDataConId_maybe dictdc)) -> return expr -- Dictionary is not a datacon yet (but e.g., a top level binder)
436                                 | tyargs_neq ty ty' -> error $ "Normalize.classopresolution: Applying class selector to dictionary without matching type?\n" ++ pprString expr
437                                 | otherwise ->
438         let selector_ids = Class.classSelIds cls in
439         -- Find the selector used in the class' list of selectors
440         case List.elemIndex sel selector_ids of
441           Nothing -> error $ "Normalize.classopresolution: Selector not found in class' selector list? This should not happen!\nExpression: " ++ pprString expr ++ "\nClass: " ++ show cls ++ "\nSelectors: " ++ show selector_ids
442           -- Get the corresponding argument from the dictionary
443           Just n -> change (selectors!!n)
444       (_, _) -> return expr -- Not applying a variable? Don't touch
445   where
446     -- Compare two type arguments, returning True if they are _not_
447     -- equal
448     tyargs_neq (Type ty1) (Type ty2) = not $ Type.coreEqType ty1 ty2
449     tyargs_neq _ _ = True
450     -- Is this a builtin function / method?
451     is_builtin = elem (Name.getOccString sel) builtinIds
452
453 -- Leave all other expressions unchanged
454 classopresolution c expr = return expr
455 -- Perform this transform everywhere
456 classopresolutiontop = everywhere ("classopresolution", classopresolution)
457
458 --------------------------------
459 -- Scrutinee simplification
460 --------------------------------
461 scrutsimpl,scrutsimpltop :: Transform
462 -- Don't touch scrutinees that are already simple
463 scrutsimpl c expr@(Case (Var _) _ _ _) = return expr
464 -- Replace all other cases with a let that binds the scrutinee and a new
465 -- simple scrutinee, but only when the scrutinee is representable (to prevent
466 -- loops with inlinenonrep, though I don't think a non-representable scrutinee
467 -- will be supported anyway...) 
468 scrutsimpl c expr@(Case scrut b ty alts) = do
469   repr <- isRepr scrut
470   if repr
471     then do
472       id <- Trans.lift $ mkBinderFor scrut "scrut"
473       change $ Let (NonRec id scrut) (Case (Var id) b ty alts)
474     else
475       return expr
476 -- Leave all other expressions unchanged
477 scrutsimpl c expr = return expr
478 -- Perform this transform everywhere
479 scrutsimpltop = everywhere ("scrutsimpl", scrutsimpl)
480
481 --------------------------------
482 -- Scrutinee binder removal
483 --------------------------------
484 -- A case expression can have an extra binder, to which the scrutinee is bound
485 -- after bringing it to WHNF. This is used for forcing evaluation of strict
486 -- arguments. Since strictness does not matter for us (rather, everything is
487 -- sort of strict), this binder is ignored when generating VHDL, and must thus
488 -- be wild in the normal form.
489 scrutbndrremove, scrutbndrremovetop :: Transform
490 -- If the scrutinee is already simple, and the bndr is not wild yet, replace
491 -- all occurences of the binder with the scrutinee variable.
492 scrutbndrremove c (Case (Var scrut) bndr ty alts) | bndr_used = do
493     alts' <- mapM subs_bndr alts
494     change $ Case (Var scrut) wild ty alts'
495   where
496     is_used (_, _, expr) = expr_uses_binders [bndr] expr
497     bndr_used = or $ map is_used alts
498     subs_bndr (con, bndrs, expr) = do
499       expr' <- substitute bndr (Var scrut) c expr
500       return (con, bndrs, expr')
501     wild = MkCore.mkWildBinder (Id.idType bndr)
502 -- Leave all other expressions unchanged
503 scrutbndrremove c expr = return expr
504 scrutbndrremovetop = everywhere ("scrutbndrremove", scrutbndrremove)
505
506 --------------------------------
507 -- Case binder wildening
508 --------------------------------
509 casesimpl, casesimpltop :: Transform
510 -- This is already a selector case (or, if x does not appear in bndrs, a very
511 -- simple case statement that will be removed by caseremove below). Just leave
512 -- it be.
513 casesimpl c expr@(Case scrut b ty [(con, bndrs, Var x)]) = return expr
514 -- Make sure that all case alternatives have only wild binders and simple
515 -- expressions.
516 -- This is done by creating a new let binding for each non-wild binder, which
517 -- is bound to a new simple selector case statement and for each complex
518 -- expression. We do this only for representable types, to prevent loops with
519 -- inlinenonrep.
520 casesimpl c expr@(Case scrut bndr ty alts) | not bndr_used = do
521   (bindingss, alts') <- (Monad.liftM unzip) $ mapM doalt alts
522   let bindings = concat bindingss
523   -- Replace the case with a let with bindings and a case
524   let newlet = mkNonRecLets bindings (Case scrut bndr ty alts')
525   -- If there are no non-wild binders, or this case is already a simple
526   -- selector (i.e., a single alt with exactly one binding), already a simple
527   -- selector altan no bindings (i.e., no wild binders in the original case),
528   -- don't change anything, otherwise, replace the case.
529   if null bindings then return expr else change newlet 
530   where
531   -- Check if the scrutinee binder is used
532   is_used (_, _, expr) = expr_uses_binders [bndr] expr
533   bndr_used = or $ map is_used alts
534   -- Generate a single wild binder, since they are all the same
535   wild = MkCore.mkWildBinder
536   -- Wilden the binders of one alt, producing a list of bindings as a
537   -- sideeffect.
538   doalt :: CoreAlt -> TransformMonad ([(CoreBndr, CoreExpr)], CoreAlt)
539   doalt (con, bndrs, expr) = do
540     -- Make each binder wild, if possible
541     bndrs_res <- Monad.zipWithM dobndr bndrs [0..]
542     let (newbndrs, bindings_maybe) = unzip bndrs_res
543     -- Extract a complex expression, if possible. For this we check if any of
544     -- the new list of bndrs are used by expr. We can't use free_vars here,
545     -- since that looks at the old bndrs.
546     let uses_bndrs = not $ VarSet.isEmptyVarSet $ CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` newbndrs) expr
547     (exprbinding_maybe, expr') <- doexpr expr uses_bndrs
548     -- Create a new alternative
549     let newalt = (con, newbndrs, expr')
550     let bindings = Maybe.catMaybes (bindings_maybe ++ [exprbinding_maybe])
551     return (bindings, newalt)
552     where
553       -- Make wild alternatives for each binder
554       wildbndrs = map (\bndr -> MkCore.mkWildBinder (Id.idType bndr)) bndrs
555       -- A set of all the binders that are used by the expression
556       free_vars = CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` bndrs) expr
557       -- Look at the ith binder in the case alternative. Return a new binder
558       -- for it (either the same one, or a wild one) and optionally a let
559       -- binding containing a case expression.
560       dobndr :: CoreBndr -> Int -> TransformMonad (CoreBndr, Maybe (CoreBndr, CoreExpr))
561       dobndr b i = do
562         repr <- isRepr b
563         -- Is b wild (e.g., not a free var of expr. Since b is only in scope
564         -- in expr, this means that b is unused if expr does not use it.)
565         let wild = not (VarSet.elemVarSet b free_vars)
566         -- Create a new binding for any representable binder that is not
567         -- already wild and is representable (to prevent loops with
568         -- inlinenonrep).
569         if (not wild) && repr
570           then do
571             -- Create on new binder that will actually capture a value in this
572             -- case statement, and return it.
573             let bty = (Id.idType b)
574             id <- Trans.lift $ mkInternalVar "sel" bty
575             let binders = take i wildbndrs ++ [id] ++ drop (i+1) wildbndrs
576             let caseexpr = Case scrut b bty [(con, binders, Var id)]
577             return (wildbndrs!!i, Just (b, caseexpr))
578           else 
579             -- Just leave the original binder in place, and don't generate an
580             -- extra selector case.
581             return (b, Nothing)
582       -- Process the expression of a case alternative. Accepts an expression
583       -- and whether this expression uses any of the binders in the
584       -- alternative. Returns an optional new binding and a new expression.
585       doexpr :: CoreExpr -> Bool -> TransformMonad (Maybe (CoreBndr, CoreExpr), CoreExpr)
586       doexpr expr uses_bndrs = do
587         local_var <- Trans.lift $ is_local_var expr
588         repr <- isRepr expr
589         -- Extract any expressions that do not use any binders from this
590         -- alternative, is not a local var already and is representable (to
591         -- prevent loops with inlinenonrep).
592         if (not uses_bndrs) && (not local_var) && repr
593           then do
594             id <- Trans.lift $ mkBinderFor expr "caseval"
595             -- We don't flag a change here, since casevalsimpl will do that above
596             -- based on Just we return here.
597             return (Just (id, expr), Var id)
598           else
599             -- Don't simplify anything else
600             return (Nothing, expr)
601 -- Leave all other expressions unchanged
602 casesimpl c expr = return expr
603 -- Perform this transform everywhere
604 casesimpltop = everywhere ("casesimpl", casesimpl)
605
606 --------------------------------
607 -- Case removal
608 --------------------------------
609 -- Remove case statements that have only a single alternative and only wild
610 -- binders.
611 caseremove, caseremovetop :: Transform
612 -- Replace a useless case by the value of its single alternative
613 caseremove c (Case scrut b ty [(con, bndrs, expr)]) | not usesvars = change expr
614     -- Find if any of the binders are used by expr
615     where usesvars = (not . VarSet.isEmptyVarSet . (CoreFVs.exprSomeFreeVars (`elem` b:bndrs))) expr
616 -- Leave all other expressions unchanged
617 caseremove c expr = return expr
618 -- Perform this transform everywhere
619 caseremovetop = everywhere ("caseremove", caseremove)
620
621 --------------------------------
622 -- Argument extraction
623 --------------------------------
624 -- Make sure that all arguments of a representable type are simple variables.
625 appsimpl, appsimpltop :: Transform
626 -- Simplify all representable arguments. Do this by introducing a new Let
627 -- that binds the argument and passing the new binder in the application.
628 appsimpl c expr@(App f arg) = do
629   -- Check runtime representability
630   repr <- isRepr arg
631   local_var <- Trans.lift $ is_local_var arg
632   if repr && not local_var
633     then do -- Extract representable arguments
634       id <- Trans.lift $ mkBinderFor arg "arg"
635       change $ Let (NonRec id arg) (App f (Var id))
636     else -- Leave non-representable arguments unchanged
637       return expr
638 -- Leave all other expressions unchanged
639 appsimpl c expr = return expr
640 -- Perform this transform everywhere
641 appsimpltop = everywhere ("appsimpl", appsimpl)
642
643 --------------------------------
644 -- Function-typed argument propagation
645 --------------------------------
646 -- Remove all applications to function-typed arguments, by duplication the
647 -- function called with the function-typed parameter replaced by the free
648 -- variables of the argument passed in.
649 argprop, argproptop :: Transform
650 -- Transform any application of a named function (i.e., skip applications of
651 -- lambda's). Also skip applications that have arguments with free type
652 -- variables, since we can't inline those.
653 argprop c expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
654   -- Find the body of the function called
655   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
656   case body_maybe of
657     Just body -> do
658       -- Process each of the arguments in turn
659       (args', changed) <- Writer.listen $ mapM doarg args
660       -- See if any of the arguments changed
661       case Monoid.getAny changed of
662         True -> do
663           let (newargs', newparams', oldargs) = unzip3 args'
664           let newargs = concat newargs'
665           let newparams = concat newparams'
666           -- Create a new body that consists of a lambda for all new arguments and
667           -- the old body applied to some arguments.
668           let newbody = MkCore.mkCoreLams newparams (MkCore.mkCoreApps body oldargs)
669           -- Create a new function with the same name but a new body
670           newf <- Trans.lift $ mkFunction f newbody
671
672           Trans.lift $ MonadState.modify tsInitStates (\ismap ->
673             let init_state_maybe = Map.lookup f ismap in
674             case init_state_maybe of
675               Nothing -> ismap
676               Just init_state -> Map.insert newf init_state ismap)
677           -- Replace the original application with one of the new function to the
678           -- new arguments.
679           change $ MkCore.mkCoreApps (Var newf) newargs
680         False ->
681           -- Don't change the expression if none of the arguments changed
682           return expr
683       
684     -- If we don't have a body for the function called, leave it unchanged (it
685     -- should be a primitive function then).
686     Nothing -> return expr
687   where
688     -- Find the function called and the arguments
689     (fexpr, args) = collectArgs expr
690     Var f = fexpr
691
692     -- Process a single argument and return (args, bndrs, arg), where args are
693     -- the arguments to replace the given argument in the original
694     -- application, bndrs are the binders to include in the top-level lambda
695     -- in the new function body, and arg is the argument to apply to the old
696     -- function body.
697     doarg :: CoreExpr -> TransformMonad ([CoreExpr], [CoreBndr], CoreExpr)
698     doarg arg = do
699       repr <- isRepr arg
700       bndrs <- Trans.lift getGlobalBinders
701       let interesting var = Var.isLocalVar var && (var `notElem` bndrs)
702       if not repr && not (is_var arg && interesting (exprToVar arg)) && not (has_free_tyvars arg) 
703         then do
704           -- Propagate all complex arguments that are not representable, but not
705           -- arguments with free type variables (since those would require types
706           -- not known yet, which will always be known eventually).
707           -- Find interesting free variables, each of which should be passed to
708           -- the new function instead of the original function argument.
709           -- 
710           -- Interesting vars are those that are local, but not available from the
711           -- top level scope (functions from this module are defined as local, but
712           -- they're not local to this function, so we can freely move references
713           -- to them into another function).
714           let free_vars = VarSet.varSetElems $ CoreFVs.exprSomeFreeVars interesting arg
715           -- Mark the current expression as changed
716           setChanged
717           -- TODO: Clone the free_vars (and update references in arg), since
718           -- this might cause conflicts if two arguments that are propagated
719           -- share a free variable. Also, we are now introducing new variables
720           -- into a function that are not fresh, which violates the binder
721           -- uniqueness invariant.
722           return (map Var free_vars, free_vars, arg)
723         else do
724           -- Representable types will not be propagated, and arguments with free
725           -- type variables will be propagated later.
726           -- Note that we implicitly remove any type variables in the type of
727           -- the original argument by using the type of the actual argument
728           -- for the new formal parameter.
729           -- TODO: preserve original naming?
730           id <- Trans.lift $ mkBinderFor arg "param"
731           -- Just pass the original argument to the new function, which binds it
732           -- to a new id and just pass that new id to the old function body.
733           return ([arg], [id], mkReferenceTo id) 
734 -- Leave all other expressions unchanged
735 argprop c expr = return expr
736 -- Perform this transform everywhere
737 argproptop = everywhere ("argprop", argprop)
738
739 --------------------------------
740 -- Function-typed argument extraction
741 --------------------------------
742 -- This transform takes any function-typed argument that cannot be propagated
743 -- (because the function that is applied to it is a builtin function), and
744 -- puts it in a brand new top level binder. This allows us to for example
745 -- apply map to a lambda expression This will not conflict with inlinenonrep,
746 -- since that only inlines local let bindings, not top level bindings.
747 funextract, funextracttop :: Transform
748 funextract c expr@(App _ _) | is_var fexpr = do
749   body_maybe <- Trans.lift $ getGlobalBind f
750   case body_maybe of
751     -- We don't have a function body for f, so we can perform this transform.
752     Nothing -> do
753       -- Find the new arguments
754       args' <- mapM doarg args
755       -- And update the arguments. We use return instead of changed, so the
756       -- changed flag doesn't get set if none of the args got changed.
757       return $ MkCore.mkCoreApps fexpr args'
758     -- We have a function body for f, leave this application to funprop
759     Just _ -> return expr
760   where
761     -- Find the function called and the arguments
762     (fexpr, args) = collectArgs expr
763     Var f = fexpr
764     -- Change any arguments that have a function type, but are not simple yet
765     -- (ie, a variable or application). This means to create a new function
766     -- for map (\f -> ...) b, but not for map (foo a) b.
767     --
768     -- We could use is_applicable here instead of is_fun, but I think
769     -- arguments to functions could only have forall typing when existential
770     -- typing is enabled. Not sure, though.
771     doarg arg | not (is_simple arg) && is_fun arg = do
772       -- Create a new top level binding that binds the argument. Its body will
773       -- be extended with lambda expressions, to take any free variables used
774       -- by the argument expression.
775       let free_vars = VarSet.varSetElems $ CoreFVs.exprFreeVars arg
776       let body = MkCore.mkCoreLams free_vars arg
777       id <- Trans.lift $ mkBinderFor body "fun"
778       Trans.lift $ addGlobalBind id body
779       -- Replace the argument with a reference to the new function, applied to
780       -- all vars it uses.
781       change $ MkCore.mkCoreApps (Var id) (map Var free_vars)
782     -- Leave all other arguments untouched
783     doarg arg = return arg
784
785 -- Leave all other expressions unchanged
786 funextract c expr = return expr
787 -- Perform this transform everywhere
788 funextracttop = everywhere ("funextract", funextract)
789
790 --------------------------------
791 -- End of transformations
792 --------------------------------
793
794
795
796
797 -- What transforms to run?
798 transforms = [inlinedicttop, inlinetopleveltop, classopresolutiontop, argproptop, funextracttop, etatop, betatop, castproptop, letremovesimpletop, letrectop, letremovetop, retvalsimpltop, letflattop, scrutsimpltop, scrutbndrremovetop, casesimpltop, caseremovetop, inlinenonreptop, appsimpltop, letremoveunusedtop, castsimpltop]
799
800 -- | Returns the normalized version of the given function, or an error
801 -- if it is not a known global binder.
802 getNormalized ::
803   CoreBndr -- ^ The function to get
804   -> TranslatorSession CoreExpr -- The normalized function body
805 getNormalized bndr = do
806   norm <- getNormalized_maybe bndr
807   return $ Maybe.fromMaybe
808     (error $ "Normalize.getNormalized: Unknown or non-representable function requested: " ++ show bndr)
809     norm
810
811 -- | Returns the normalized version of the given function, or Nothing
812 -- when the binder is not a known global binder or is not normalizeable.
813 getNormalized_maybe ::
814   CoreBndr -- ^ The function to get
815   -> TranslatorSession (Maybe CoreExpr) -- The normalized function body
816
817 getNormalized_maybe bndr = do
818     expr_maybe <- getGlobalBind bndr
819     normalizeable <- isNormalizeable' bndr
820     if not normalizeable || Maybe.isNothing expr_maybe
821       then
822         -- Binder not normalizeable or not found
823         return Nothing
824       else if is_poly (Var bndr)
825         then
826           -- This should really only happen at the top level... TODO: Give
827           -- a different error if this happens down in the recursion.
828           error $ "\nNormalize.normalizeBind: Function " ++ show bndr ++ " is polymorphic, can't normalize"
829         else do
830           -- Binder found and is monomorphic. Normalize the expression
831           -- and cache the result.
832           normalized <- Utils.makeCached bndr tsNormalized $ 
833             normalizeExpr (show bndr) (Maybe.fromJust expr_maybe)
834           return (Just normalized)
835
836 -- | Normalize an expression
837 normalizeExpr ::
838   String -- ^ What are we normalizing? For debug output only.
839   -> CoreSyn.CoreExpr -- ^ The expression to normalize 
840   -> TranslatorSession CoreSyn.CoreExpr -- ^ The normalized expression
841
842 normalizeExpr what expr = do
843       startcount <- MonadState.get tsTransformCounter 
844       expr_uniqued <- genUniques expr
845       -- Normalize this expression
846       trace (what ++ " before normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr_uniqued ) ++ "\n") $ return ()
847       expr' <- dotransforms transforms expr_uniqued
848       endcount <- MonadState.get tsTransformCounter 
849       trace ("\n" ++ what ++ " after normalization:\n\n" ++ showSDoc ( ppr expr')
850              ++ "\nNeeded " ++ show (endcount - startcount) ++ " transformations to normalize " ++ what) $
851        return expr'
852
853 -- | Split a normalized expression into the argument binders, top level
854 --   bindings and the result binder.
855 splitNormalized ::
856   CoreExpr -- ^ The normalized expression
857   -> ([CoreBndr], [Binding], CoreBndr)
858 splitNormalized expr = (args, binds, res)
859   where
860     (args, letexpr) = CoreSyn.collectBinders expr
861     (binds, resexpr) = flattenLets letexpr
862     res = case resexpr of 
863       (Var x) -> x
864       _ -> error $ "Normalize.splitNormalized: Not in normal form: " ++ pprString expr ++ "\n"