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