This is a live mirror of the Perl 5 development currently hosted at https://github.com/perl/perl5
Fix GH Issue #19472: read warnings from open($fh,">",\(my $x))
[perl5.git] / pod / perlinterp.pod
1 =encoding utf8
2
3 =for comment
4 Consistent formatting of this file is achieved with:
5   perl ./Porting/podtidy pod/perlinterp.pod
6
7 =head1 NAME
8
9 perlinterp - An overview of the Perl interpreter
10
11 =head1 DESCRIPTION
12
13 This document provides an overview of how the Perl interpreter works at
14 the level of C code, along with pointers to the relevant C source code
15 files.
16
17 =head1 ELEMENTS OF THE INTERPRETER
18
19 The work of the interpreter has two main stages: compiling the code
20 into the internal representation, or bytecode, and then executing it.
21 L<perlguts/Compiled code> explains exactly how the compilation stage
22 happens.
23
24 Here is a short breakdown of perl's operation:
25
26 =head2 Startup
27
28 The action begins in F<perlmain.c>. (or F<miniperlmain.c> for miniperl)
29 This is very high-level code, enough to fit on a single screen, and it
30 resembles the code found in L<perlembed>; most of the real action takes
31 place in F<perl.c>
32
33 F<perlmain.c> is generated by C<ExtUtils::Miniperl> from
34 F<miniperlmain.c> at make time, so you should make perl to follow this
35 along.
36
37 First, F<perlmain.c> allocates some memory and constructs a Perl
38 interpreter, along these lines:
39
40     1 PERL_SYS_INIT3(&argc,&argv,&env);
41     2
42     3 if (!PL_do_undump) {
43     4     my_perl = perl_alloc();
44     5     if (!my_perl)
45     6         exit(1);
46     7     perl_construct(my_perl);
47     8     PL_perl_destruct_level = 0;
48     9 }
49
50 Line 1 is a macro, and its definition is dependent on your operating
51 system. Line 3 references C<PL_do_undump>, a global variable - all
52 global variables in Perl start with C<PL_>. This tells you whether the
53 current running program was created with the C<-u> flag to perl and
54 then F<undump>, which means it's going to be false in any sane context.
55
56 Line 4 calls a function in F<perl.c> to allocate memory for a Perl
57 interpreter. It's quite a simple function, and the guts of it looks
58 like this:
59
60  my_perl = (PerlInterpreter*)PerlMem_malloc(sizeof(PerlInterpreter));
61
62 Here you see an example of Perl's system abstraction, which we'll see
63 later: C<PerlMem_malloc> is either your system's C<malloc>, or Perl's
64 own C<malloc> as defined in F<malloc.c> if you selected that option at
65 configure time.
66
67 Next, in line 7, we construct the interpreter using perl_construct,
68 also in F<perl.c>; this sets up all the special variables that Perl
69 needs, the stacks, and so on.
70
71 Now we pass Perl the command line options, and tell it to go:
72
73  if (!perl_parse(my_perl, xs_init, argc, argv, (char **)NULL))
74      perl_run(my_perl);
75
76  exitstatus = perl_destruct(my_perl);
77
78  perl_free(my_perl);
79
80 C<perl_parse> is actually a wrapper around C<S_parse_body>, as defined
81 in F<perl.c>, which processes the command line options, sets up any
82 statically linked XS modules, opens the program and calls C<yyparse> to
83 parse it.
84
85 =head2 Parsing
86
87 The aim of this stage is to take the Perl source, and turn it into an
88 op tree. We'll see what one of those looks like later. Strictly
89 speaking, there's three things going on here.
90
91 C<yyparse>, the parser, lives in F<perly.c>, although you're better off
92 reading the original YACC input in F<perly.y>. (Yes, Virginia, there
93 B<is> a YACC grammar for Perl!) The job of the parser is to take your
94 code and "understand" it, splitting it into sentences, deciding which
95 operands go with which operators and so on.
96
97 The parser is nobly assisted by the lexer, which chunks up your input
98 into tokens, and decides what type of thing each token is: a variable
99 name, an operator, a bareword, a subroutine, a core function, and so
100 on. The main point of entry to the lexer is C<yylex>, and that and its
101 associated routines can be found in F<toke.c>. Perl isn't much like
102 other computer languages; it's highly context sensitive at times, it
103 can be tricky to work out what sort of token something is, or where a
104 token ends. As such, there's a lot of interplay between the tokeniser
105 and the parser, which can get pretty frightening if you're not used to
106 it.
107
108 As the parser understands a Perl program, it builds up a tree of
109 operations for the interpreter to perform during execution. The
110 routines which construct and link together the various operations are
111 to be found in F<op.c>, and will be examined later.
112
113 =head2 Optimization
114
115 Now the parsing stage is complete, and the finished tree represents the
116 operations that the Perl interpreter needs to perform to execute our
117 program. Next, Perl does a dry run over the tree looking for
118 optimisations: constant expressions such as C<3 + 4> will be computed
119 now, and the optimizer will also see if any multiple operations can be
120 replaced with a single one. For instance, to fetch the variable
121 C<$foo>, instead of grabbing the glob C<*foo> and looking at the scalar
122 component, the optimizer fiddles the op tree to use a function which
123 directly looks up the scalar in question. The main optimizer is C<peep>
124 in F<op.c>, and many ops have their own optimizing functions.
125
126 =head2 Running
127
128 Now we're finally ready to go: we have compiled Perl byte code, and all
129 that's left to do is run it. The actual execution is done by the
130 C<runops_standard> function in F<run.c>; more specifically, it's done
131 by these three innocent looking lines:
132
133     while ((PL_op = PL_op->op_ppaddr(aTHX))) {
134         PERL_ASYNC_CHECK();
135     }
136
137 You may be more comfortable with the Perl version of that:
138
139     PERL_ASYNC_CHECK() while $Perl::op = &{$Perl::op->{function}};
140
141 Well, maybe not. Anyway, each op contains a function pointer, which
142 stipulates the function which will actually carry out the operation.
143 This function will return the next op in the sequence - this allows for
144 things like C<if> which choose the next op dynamically at run time. The
145 C<PERL_ASYNC_CHECK> makes sure that things like signals interrupt
146 execution if required.
147
148 =for apidoc_section Embedding and Interpreter Cloning
149 =for apidoc Amh|void|PERL_ASYNC_CHECK
150
151 The actual functions called are known as PP code, and they're spread
152 between four files: F<pp_hot.c> contains the "hot" code, which is most
153 often used and highly optimized, F<pp_sys.c> contains all the
154 system-specific functions, F<pp_ctl.c> contains the functions which
155 implement control structures (C<if>, C<while> and the like) and F<pp.c>
156 contains everything else. These are, if you like, the C code for Perl's
157 built-in functions and operators.
158
159 Note that each C<pp_> function is expected to return a pointer to the
160 next op. Calls to perl subs (and eval blocks) are handled within the
161 same runops loop, and do not consume extra space on the C stack. For
162 example, C<pp_entersub> and C<pp_entertry> just push a C<CxSUB> or
163 C<CxEVAL> block struct onto the context stack which contain the address
164 of the op following the sub call or eval. They then return the first op
165 of that sub or eval block, and so execution continues of that sub or
166 block. Later, a C<pp_leavesub> or C<pp_leavetry> op pops the C<CxSUB>
167 or C<CxEVAL>, retrieves the return op from it, and returns it.
168
169 =head2 Exception handing
170
171 Perl's exception handing (i.e. C<die> etc.) is built on top of the
172 low-level C<setjmp()>/C<longjmp()> C-library functions. These basically
173 provide a way to capture the current PC and SP registers and later
174 restore them; i.e. a C<longjmp()> continues at the point in code where
175 a previous C<setjmp()> was done, with anything further up on the C
176 stack being lost. This is why code should always save values using
177 C<SAVE_I<FOO>> rather than in auto variables.
178
179 The perl core wraps C<setjmp()> etc in the macros C<JMPENV_PUSH> and
180 C<JMPENV_JUMP>. The basic rule of perl exceptions is that C<exit>, and
181 C<die> (in the absence of C<eval>) perform a C<JMPENV_JUMP(2)>, while
182 C<die> within C<eval> does a C<JMPENV_JUMP(3)>.
183
184 =for apidoc_section Exception Handling (simple) Macros
185 =for apidoc Amh|void|JMPENV_PUSH|int v
186 =for apidoc Amh|void|JMPENV_JUMP|int v
187
188 At entry points to perl, such as C<perl_parse()>, C<perl_run()> and
189 C<call_sv(cv, G_EVAL)> each does a C<JMPENV_PUSH>, then enter a runops
190 loop or whatever, and handle possible exception returns. For a 2
191 return, final cleanup is performed, such as popping stacks and calling
192 C<CHECK> or C<END> blocks. Amongst other things, this is how scope
193 cleanup still occurs during an C<exit>.
194
195 If a C<die> can find a C<CxEVAL> block on the context stack, then the
196 stack is popped to that level and the return op in that block is
197 assigned to C<PL_restartop>; then a C<JMPENV_JUMP(3)> is performed.
198 This normally passes control back to the guard. In the case of
199 C<perl_run> and C<call_sv>, a non-null C<PL_restartop> triggers
200 re-entry to the runops loop. The is the normal way that C<die> or
201 C<croak> is handled within an C<eval>.
202
203 =for apidoc Amnh|OP *|PL_restartop
204
205 Sometimes ops are executed within an inner runops loop, such as tie,
206 sort or overload code. In this case, something like
207
208     sub FETCH { eval { die } }
209
210 would cause a longjmp right back to the guard in C<perl_run>, popping
211 both runops loops, which is clearly incorrect. One way to avoid this is
212 for the tie code to do a C<JMPENV_PUSH> before executing C<FETCH> in
213 the inner runops loop, but for efficiency reasons, perl in fact just
214 sets a flag, using C<CATCH_SET(TRUE)>. The C<pp_require>,
215 C<pp_entereval> and C<pp_entertry> ops check this flag, and if true,
216 they call C<docatch>, which does a C<JMPENV_PUSH> and starts a new
217 runops level to execute the code, rather than doing it on the current
218 loop.
219
220 As a further optimisation, on exit from the eval block in the C<FETCH>,
221 execution of the code following the block is still carried on in the
222 inner loop. When an exception is raised, C<docatch> compares the
223 C<JMPENV> level of the C<CxEVAL> with C<PL_top_env> and if they differ,
224 just re-throws the exception. In this way any inner loops get popped.
225
226 Here's an example.
227
228     1: eval { tie @a, 'A' };
229     2: sub A::TIEARRAY {
230     3:     eval { die };
231     4:     die;
232     5: }
233
234 To run this code, C<perl_run> is called, which does a C<JMPENV_PUSH>
235 then enters a runops loop. This loop executes the eval and tie ops on
236 line 1, with the eval pushing a C<CxEVAL> onto the context stack.
237
238 The C<pp_tie> does a C<CATCH_SET(TRUE)>, then starts a second runops
239 loop to execute the body of C<TIEARRAY>. When it executes the entertry
240 op on line 3, C<CATCH_GET> is true, so C<pp_entertry> calls C<docatch>
241 which does a C<JMPENV_PUSH> and starts a third runops loop, which then
242 executes the die op. At this point the C call stack looks like this:
243
244     Perl_pp_die
245     Perl_runops      # third loop
246     S_docatch_body
247     S_docatch
248     Perl_pp_entertry
249     Perl_runops      # second loop
250     S_call_body
251     Perl_call_sv
252     Perl_pp_tie
253     Perl_runops      # first loop
254     S_run_body
255     perl_run
256     main
257
258 and the context and data stacks, as shown by C<-Dstv>, look like:
259
260     STACK 0: MAIN
261       CX 0: BLOCK  =>
262       CX 1: EVAL   => AV()  PV("A"\0)
263       retop=leave
264     STACK 1: MAGIC
265       CX 0: SUB    =>
266       retop=(null)
267       CX 1: EVAL   => *
268     retop=nextstate
269
270 The die pops the first C<CxEVAL> off the context stack, sets
271 C<PL_restartop> from it, does a C<JMPENV_JUMP(3)>, and control returns
272 to the top C<docatch>. This then starts another third-level runops
273 level, which executes the nextstate, pushmark and die ops on line 4. At
274 the point that the second C<pp_die> is called, the C call stack looks
275 exactly like that above, even though we are no longer within an inner
276 eval; this is because of the optimization mentioned earlier. However,
277 the context stack now looks like this, ie with the top CxEVAL popped:
278
279     STACK 0: MAIN
280       CX 0: BLOCK  =>
281       CX 1: EVAL   => AV()  PV("A"\0)
282       retop=leave
283     STACK 1: MAGIC
284       CX 0: SUB    =>
285       retop=(null)
286
287 The die on line 4 pops the context stack back down to the CxEVAL,
288 leaving it as:
289
290     STACK 0: MAIN
291       CX 0: BLOCK  =>
292
293 As usual, C<PL_restartop> is extracted from the C<CxEVAL>, and a
294 C<JMPENV_JUMP(3)> done, which pops the C stack back to the docatch:
295
296     S_docatch
297     Perl_pp_entertry
298     Perl_runops      # second loop
299     S_call_body
300     Perl_call_sv
301     Perl_pp_tie
302     Perl_runops      # first loop
303     S_run_body
304     perl_run
305     main
306
307 In  this case, because the C<JMPENV> level recorded in the C<CxEVAL>
308 differs from the current one, C<docatch> just does a C<JMPENV_JUMP(3)>
309 and the C stack unwinds to:
310
311     perl_run
312     main
313
314 Because C<PL_restartop> is non-null, C<run_body> starts a new runops
315 loop and execution continues.
316
317 =head2 INTERNAL VARIABLE TYPES
318
319 You should by now have had a look at L<perlguts>, which tells you about
320 Perl's internal variable types: SVs, HVs, AVs and the rest. If not, do
321 that now.
322
323 These variables are used not only to represent Perl-space variables,
324 but also any constants in the code, as well as some structures
325 completely internal to Perl. The symbol table, for instance, is an
326 ordinary Perl hash. Your code is represented by an SV as it's read into
327 the parser; any program files you call are opened via ordinary Perl
328 filehandles, and so on.
329
330 The core L<Devel::Peek|Devel::Peek> module lets us examine SVs from a
331 Perl program. Let's see, for instance, how Perl treats the constant
332 C<"hello">.
333
334       % perl -MDevel::Peek -e 'Dump("hello")'
335     1 SV = PV(0xa041450) at 0xa04ecbc
336     2   REFCNT = 1
337     3   FLAGS = (POK,READONLY,pPOK)
338     4   PV = 0xa0484e0 "hello"\0
339     5   CUR = 5
340     6   LEN = 6
341
342 Reading C<Devel::Peek> output takes a bit of practise, so let's go
343 through it line by line.
344
345 Line 1 tells us we're looking at an SV which lives at C<0xa04ecbc> in
346 memory. SVs themselves are very simple structures, but they contain a
347 pointer to a more complex structure. In this case, it's a PV, a
348 structure which holds a string value, at location C<0xa041450>. Line 2
349 is the reference count; there are no other references to this data, so
350 it's 1.
351
352 Line 3 are the flags for this SV - it's OK to use it as a PV, it's a
353 read-only SV (because it's a constant) and the data is a PV internally.
354 Next we've got the contents of the string, starting at location
355 C<0xa0484e0>.
356
357 Line 5 gives us the current length of the string - note that this does
358 B<not> include the null terminator. Line 6 is not the length of the
359 string, but the length of the currently allocated buffer; as the string
360 grows, Perl automatically extends the available storage via a routine
361 called C<SvGROW>.
362
363 You can get at any of these quantities from C very easily; just add
364 C<Sv> to the name of the field shown in the snippet, and you've got a
365 macro which will return the value: C<SvCUR(sv)> returns the current
366 length of the string, C<SvREFCOUNT(sv)> returns the reference count,
367 C<SvPV(sv, len)> returns the string itself with its length, and so on.
368 More macros to manipulate these properties can be found in L<perlguts>.
369
370 Let's take an example of manipulating a PV, from C<sv_catpvn>, in
371 F<sv.c>
372
373      1  void
374      2  Perl_sv_catpvn(pTHX_ SV *sv, const char *ptr, STRLEN len)
375      3  {
376      4      STRLEN tlen;
377      5      char *junk;
378
379      6      junk = SvPV_force(sv, tlen);
380      7      SvGROW(sv, tlen + len + 1);
381      8      if (ptr == junk)
382      9          ptr = SvPVX(sv);
383     10      Move(ptr,SvPVX(sv)+tlen,len,char);
384     11      SvCUR(sv) += len;
385     12      *SvEND(sv) = '\0';
386     13      (void)SvPOK_only_UTF8(sv);          /* validate pointer */
387     14      SvTAINT(sv);
388     15  }
389
390 This is a function which adds a string, C<ptr>, of length C<len> onto
391 the end of the PV stored in C<sv>. The first thing we do in line 6 is
392 make sure that the SV B<has> a valid PV, by calling the C<SvPV_force>
393 macro to force a PV. As a side effect, C<tlen> gets set to the current
394 value of the PV, and the PV itself is returned to C<junk>.
395
396 In line 7, we make sure that the SV will have enough room to
397 accommodate the old string, the new string and the null terminator. If
398 C<LEN> isn't big enough, C<SvGROW> will reallocate space for us.
399
400 Now, if C<junk> is the same as the string we're trying to add, we can
401 grab the string directly from the SV; C<SvPVX> is the address of the PV
402 in the SV.
403
404 Line 10 does the actual catenation: the C<Move> macro moves a chunk of
405 memory around: we move the string C<ptr> to the end of the PV - that's
406 the start of the PV plus its current length. We're moving C<len> bytes
407 of type C<char>. After doing so, we need to tell Perl we've extended
408 the string, by altering C<CUR> to reflect the new length. C<SvEND> is a
409 macro which gives us the end of the string, so that needs to be a
410 C<"\0">.
411
412 Line 13 manipulates the flags; since we've changed the PV, any IV or NV
413 values will no longer be valid: if we have C<$a=10; $a.="6";> we don't
414 want to use the old IV of 10. C<SvPOK_only_utf8> is a special
415 UTF-8-aware version of C<SvPOK_only>, a macro which turns off the IOK
416 and NOK flags and turns on POK. The final C<SvTAINT> is a macro which
417 launders tainted data if taint mode is turned on.
418
419 AVs and HVs are more complicated, but SVs are by far the most common
420 variable type being thrown around. Having seen something of how we
421 manipulate these, let's go on and look at how the op tree is
422 constructed.
423
424 =head1 OP TREES
425
426 First, what is the op tree, anyway? The op tree is the parsed
427 representation of your program, as we saw in our section on parsing,
428 and it's the sequence of operations that Perl goes through to execute
429 your program, as we saw in L</Running>.
430
431 An op is a fundamental operation that Perl can perform: all the
432 built-in functions and operators are ops, and there are a series of ops
433 which deal with concepts the interpreter needs internally - entering
434 and leaving a block, ending a statement, fetching a variable, and so
435 on.
436
437 The op tree is connected in two ways: you can imagine that there are
438 two "routes" through it, two orders in which you can traverse the tree.
439 First, parse order reflects how the parser understood the code, and
440 secondly, execution order tells perl what order to perform the
441 operations in.
442
443 The easiest way to examine the op tree is to stop Perl after it has
444 finished parsing, and get it to dump out the tree. This is exactly what
445 the compiler backends L<B::Terse|B::Terse>, L<B::Concise|B::Concise>
446 and CPAN module <B::Debug do.
447
448 Let's have a look at how Perl sees C<$a = $b + $c>:
449
450      % perl -MO=Terse -e '$a=$b+$c'
451      1  LISTOP (0x8179888) leave
452      2      OP (0x81798b0) enter
453      3      COP (0x8179850) nextstate
454      4      BINOP (0x8179828) sassign
455      5          BINOP (0x8179800) add [1]
456      6              UNOP (0x81796e0) null [15]
457      7                  SVOP (0x80fafe0) gvsv  GV (0x80fa4cc) *b
458      8              UNOP (0x81797e0) null [15]
459      9                  SVOP (0x8179700) gvsv  GV (0x80efeb0) *c
460     10          UNOP (0x816b4f0) null [15]
461     11              SVOP (0x816dcf0) gvsv  GV (0x80fa460) *a
462
463 Let's start in the middle, at line 4. This is a BINOP, a binary
464 operator, which is at location C<0x8179828>. The specific operator in
465 question is C<sassign> - scalar assignment - and you can find the code
466 which implements it in the function C<pp_sassign> in F<pp_hot.c>. As a
467 binary operator, it has two children: the add operator, providing the
468 result of C<$b+$c>, is uppermost on line 5, and the left hand side is
469 on line 10.
470
471 Line 10 is the null op: this does exactly nothing. What is that doing
472 there? If you see the null op, it's a sign that something has been
473 optimized away after parsing. As we mentioned in L</Optimization>, the
474 optimization stage sometimes converts two operations into one, for
475 example when fetching a scalar variable. When this happens, instead of
476 rewriting the op tree and cleaning up the dangling pointers, it's
477 easier just to replace the redundant operation with the null op.
478 Originally, the tree would have looked like this:
479
480     10          SVOP (0x816b4f0) rv2sv [15]
481     11              SVOP (0x816dcf0) gv  GV (0x80fa460) *a
482
483 That is, fetch the C<a> entry from the main symbol table, and then look
484 at the scalar component of it: C<gvsv> (C<pp_gvsv> in F<pp_hot.c>)
485 happens to do both these things.
486
487 The right hand side, starting at line 5 is similar to what we've just
488 seen: we have the C<add> op (C<pp_add>, also in F<pp_hot.c>) add
489 together two C<gvsv>s.
490
491 Now, what's this about?
492
493      1  LISTOP (0x8179888) leave
494      2      OP (0x81798b0) enter
495      3      COP (0x8179850) nextstate
496
497 C<enter> and C<leave> are scoping ops, and their job is to perform any
498 housekeeping every time you enter and leave a block: lexical variables
499 are tidied up, unreferenced variables are destroyed, and so on. Every
500 program will have those first three lines: C<leave> is a list, and its
501 children are all the statements in the block. Statements are delimited
502 by C<nextstate>, so a block is a collection of C<nextstate> ops, with
503 the ops to be performed for each statement being the children of
504 C<nextstate>. C<enter> is a single op which functions as a marker.
505
506 That's how Perl parsed the program, from top to bottom:
507
508                         Program
509                            |
510                        Statement
511                            |
512                            =
513                           / \
514                          /   \
515                         $a   +
516                             / \
517                           $b   $c
518
519 However, it's impossible to B<perform> the operations in this order:
520 you have to find the values of C<$b> and C<$c> before you add them
521 together, for instance. So, the other thread that runs through the op
522 tree is the execution order: each op has a field C<op_next> which
523 points to the next op to be run, so following these pointers tells us
524 how perl executes the code. We can traverse the tree in this order
525 using the C<exec> option to C<B::Terse>:
526
527      % perl -MO=Terse,exec -e '$a=$b+$c'
528      1  OP (0x8179928) enter
529      2  COP (0x81798c8) nextstate
530      3  SVOP (0x81796c8) gvsv  GV (0x80fa4d4) *b
531      4  SVOP (0x8179798) gvsv  GV (0x80efeb0) *c
532      5  BINOP (0x8179878) add [1]
533      6  SVOP (0x816dd38) gvsv  GV (0x80fa468) *a
534      7  BINOP (0x81798a0) sassign
535      8  LISTOP (0x8179900) leave
536
537 This probably makes more sense for a human: enter a block, start a
538 statement. Get the values of C<$b> and C<$c>, and add them together.
539 Find C<$a>, and assign one to the other. Then leave.
540
541 The way Perl builds up these op trees in the parsing process can be
542 unravelled by examining F<toke.c>, the lexer, and F<perly.y>, the YACC
543 grammar. Let's look at the code that constructs the tree for C<$a = $b +
544 $c>.
545
546 First, we'll look at the C<Perl_yylex> function in the lexer. We want to
547 look for C<case 'x'>, where x is the first character of the operator.
548 (Incidentally, when looking for the code that handles a keyword, you'll
549 want to search for C<KEY_foo> where "foo" is the keyword.) Here is the code
550 that handles assignment (there are quite a few operators beginning with
551 C<=>, so most of it is omitted for brevity):
552
553      1    case '=':
554      2        s++;
555               ... code that handles == => etc. and pod ...
556      3        pl_yylval.ival = 0;
557      4        OPERATOR(ASSIGNOP);
558
559 We can see on line 4 that our token type is C<ASSIGNOP> (C<OPERATOR> is a
560 macro, defined in F<toke.c>, that returns the token type, among other
561 things). And C<+>:
562
563      1     case '+':
564      2         {
565      3             const char tmp = *s++;
566                    ... code for ++ ...
567      4             if (PL_expect == XOPERATOR) {
568                        ...
569      5                 Aop(OP_ADD);
570      6             }
571                    ...
572      7         }
573
574 Line 4 checks what type of token we are expecting. C<Aop> returns a token.
575 If you search for C<Aop> elsewhere in F<toke.c>, you will see that it
576 returns an C<ADDOP> token.
577
578 Now that we know the two token types we want to look for in the parser,
579 let's take the piece of F<perly.y> we need to construct the tree for
580 C<$a = $b + $c>
581
582     1 term    :   term ASSIGNOP term
583     2                { $$ = newASSIGNOP(OPf_STACKED, $1, $2, $3); }
584     3         |   term ADDOP term
585     4                { $$ = newBINOP($2, 0, scalar($1), scalar($3)); }
586
587 If you're not used to reading BNF grammars, this is how it works:
588 You're fed certain things by the tokeniser, which generally end up in
589 upper case. C<ADDOP> and C<ASSIGNOP> are examples of "terminal symbols",
590 because you can't get any simpler than
591 them.
592
593 The grammar, lines one and three of the snippet above, tells you how to
594 build up more complex forms. These complex forms, "non-terminal
595 symbols" are generally placed in lower case. C<term> here is a
596 non-terminal symbol, representing a single expression.
597
598 The grammar gives you the following rule: you can make the thing on the
599 left of the colon if you see all the things on the right in sequence.
600 This is called a "reduction", and the aim of parsing is to completely
601 reduce the input. There are several different ways you can perform a
602 reduction, separated by vertical bars: so, C<term> followed by C<=>
603 followed by C<term> makes a C<term>, and C<term> followed by C<+>
604 followed by C<term> can also make a C<term>.
605
606 So, if you see two terms with an C<=> or C<+>, between them, you can
607 turn them into a single expression. When you do this, you execute the
608 code in the block on the next line: if you see C<=>, you'll do the code
609 in line 2. If you see C<+>, you'll do the code in line 4. It's this
610 code which contributes to the op tree.
611
612             |   term ADDOP term
613             { $$ = newBINOP($2, 0, scalar($1), scalar($3)); }
614
615 What this does is creates a new binary op, and feeds it a number of
616 variables. The variables refer to the tokens: C<$1> is the first token
617 in the input, C<$2> the second, and so on - think regular expression
618 backreferences. C<$$> is the op returned from this reduction. So, we
619 call C<newBINOP> to create a new binary operator. The first parameter
620 to C<newBINOP>, a function in F<op.c>, is the op type. It's an addition
621 operator, so we want the type to be C<ADDOP>. We could specify this
622 directly, but it's right there as the second token in the input, so we
623 use C<$2>. The second parameter is the op's flags: 0 means "nothing
624 special". Then the things to add: the left and right hand side of our
625 expression, in scalar context.
626
627 The functions that create ops, which have names like C<newUNOP> and
628 C<newBINOP>, call a "check" function associated with each op type, before
629 returning the op. The check functions can mangle the op as they see fit,
630 and even replace it with an entirely new one. These functions are defined
631 in F<op.c>, and have a C<Perl_ck_> prefix. You can find out which
632 check function is used for a particular op type by looking in
633 F<regen/opcodes>.  Take C<OP_ADD>, for example. (C<OP_ADD> is the token
634 value from the C<Aop(OP_ADD)> in F<toke.c> which the parser passes to
635 C<newBINOP> as its first argument.) Here is the relevant line:
636
637     add             addition (+)            ck_null         IfsT2   S S
638
639 The check function in this case is C<Perl_ck_null>, which does nothing.
640 Let's look at a more interesting case:
641
642     readline        <HANDLE>                ck_readline     t%      F?
643
644 And here is the function from F<op.c>:
645
646      1 OP *
647      2 Perl_ck_readline(pTHX_ OP *o)
648      3 {
649      4     PERL_ARGS_ASSERT_CK_READLINE;
650      5 
651      6     if (o->op_flags & OPf_KIDS) {
652      7          OP *kid = cLISTOPo->op_first;
653      8          if (kid->op_type == OP_RV2GV)
654      9              kid->op_private |= OPpALLOW_FAKE;
655     10     }
656     11     else {
657     12         OP * const newop
658     13             = newUNOP(OP_READLINE, 0, newGVOP(OP_GV, 0,
659     14                                               PL_argvgv));
660     15         op_free(o);
661     16         return newop;
662     17     }
663     18     return o;
664     19 }
665
666 One particularly interesting aspect is that if the op has no kids (i.e.,
667 C<readline()> or C<< <> >>) the op is freed and replaced with an entirely
668 new one that references C<*ARGV> (lines 12-16).
669
670 =head1 STACKS
671
672 When perl executes something like C<addop>, how does it pass on its
673 results to the next op? The answer is, through the use of stacks. Perl
674 has a number of stacks to store things it's currently working on, and
675 we'll look at the three most important ones here.
676
677 =head2 Argument stack
678
679 Arguments are passed to PP code and returned from PP code using the
680 argument stack, C<ST>. The typical way to handle arguments is to pop
681 them off the stack, deal with them how you wish, and then push the
682 result back onto the stack. This is how, for instance, the cosine
683 operator works:
684
685       NV value;
686       value = POPn;
687       value = Perl_cos(value);
688       XPUSHn(value);
689
690 We'll see a more tricky example of this when we consider Perl's macros
691 below. C<POPn> gives you the NV (floating point value) of the top SV on
692 the stack: the C<$x> in C<cos($x)>. Then we compute the cosine, and
693 push the result back as an NV. The C<X> in C<XPUSHn> means that the
694 stack should be extended if necessary - it can't be necessary here,
695 because we know there's room for one more item on the stack, since
696 we've just removed one! The C<XPUSH*> macros at least guarantee safety.
697
698 Alternatively, you can fiddle with the stack directly: C<SP> gives you
699 the first element in your portion of the stack, and C<TOP*> gives you
700 the top SV/IV/NV/etc. on the stack. So, for instance, to do unary
701 negation of an integer:
702
703      SETi(-TOPi);
704
705 Just set the integer value of the top stack entry to its negation.
706
707 Argument stack manipulation in the core is exactly the same as it is in
708 XSUBs - see L<perlxstut>, L<perlxs> and L<perlguts> for a longer
709 description of the macros used in stack manipulation.
710
711 =head2 Mark stack
712
713 I say "your portion of the stack" above because PP code doesn't
714 necessarily get the whole stack to itself: if your function calls
715 another function, you'll only want to expose the arguments aimed for
716 the called function, and not (necessarily) let it get at your own data.
717 The way we do this is to have a "virtual" bottom-of-stack, exposed to
718 each function. The mark stack keeps bookmarks to locations in the
719 argument stack usable by each function. For instance, when dealing with
720 a tied variable, (internally, something with "P" magic) Perl has to
721 call methods for accesses to the tied variables. However, we need to
722 separate the arguments exposed to the method to the argument exposed to
723 the original function - the store or fetch or whatever it may be.
724 Here's roughly how the tied C<push> is implemented; see C<av_push> in
725 F<av.c>:
726
727      1  PUSHMARK(SP);
728      2  EXTEND(SP,2);
729      3  PUSHs(SvTIED_obj((SV*)av, mg));
730      4  PUSHs(val);
731      5  PUTBACK;
732      6  ENTER;
733      7  call_method("PUSH", G_SCALAR|G_DISCARD);
734      8  LEAVE;
735
736 Let's examine the whole implementation, for practice:
737
738      1  PUSHMARK(SP);
739
740 Push the current state of the stack pointer onto the mark stack. This
741 is so that when we've finished adding items to the argument stack, Perl
742 knows how many things we've added recently.
743
744      2  EXTEND(SP,2);
745      3  PUSHs(SvTIED_obj((SV*)av, mg));
746      4  PUSHs(val);
747
748 We're going to add two more items onto the argument stack: when you
749 have a tied array, the C<PUSH> subroutine receives the object and the
750 value to be pushed, and that's exactly what we have here - the tied
751 object, retrieved with C<SvTIED_obj>, and the value, the SV C<val>.
752
753 =for apidoc_section Magic
754 =for apidoc Amh||SvTIED_obj|SV *sv|MAGIC *mg
755
756      5  PUTBACK;
757
758 Next we tell Perl to update the global stack pointer from our internal
759 variable: C<dSP> only gave us a local copy, not a reference to the
760 global.
761
762      6  ENTER;
763      7  call_method("PUSH", G_SCALAR|G_DISCARD);
764      8  LEAVE;
765
766 C<ENTER> and C<LEAVE> localise a block of code - they make sure that
767 all variables are tidied up, everything that has been localised gets
768 its previous value returned, and so on. Think of them as the C<{> and
769 C<}> of a Perl block.
770
771 To actually do the magic method call, we have to call a subroutine in
772 Perl space: C<call_method> takes care of that, and it's described in
773 L<perlcall>. We call the C<PUSH> method in scalar context, and we're
774 going to discard its return value. The call_method() function removes
775 the top element of the mark stack, so there is nothing for the caller
776 to clean up.
777
778 =head2 Save stack
779
780 C doesn't have a concept of local scope, so perl provides one. We've
781 seen that C<ENTER> and C<LEAVE> are used as scoping braces; the save
782 stack implements the C equivalent of, for example:
783
784     {
785         local $foo = 42;
786         ...
787     }
788
789 See L<perlguts/"Localizing changes"> for how to use the save stack.
790
791 =head1 MILLIONS OF MACROS
792
793 One thing you'll notice about the Perl source is that it's full of
794 macros. Some have called the pervasive use of macros the hardest thing
795 to understand, others find it adds to clarity. Let's take an example,
796 a stripped-down version the code which implements the addition operator:
797
798    1  PP(pp_add)
799    2  {
800    3      dSP; dATARGET;
801    4      tryAMAGICbin_MG(add_amg, AMGf_assign|AMGf_numeric);
802    5      {
803    6        dPOPTOPnnrl_ul;
804    7        SETn( left + right );
805    8        RETURN;
806    9      }
807   10  }
808
809 Every line here (apart from the braces, of course) contains a macro.
810 The first line sets up the function declaration as Perl expects for PP
811 code; line 3 sets up variable declarations for the argument stack and
812 the target, the return value of the operation. Line 4 tries to see
813 if the addition operation is overloaded; if so, the appropriate
814 subroutine is called.
815
816 Line 6 is another variable declaration - all variable declarations
817 start with C<d> - which pops from the top of the argument stack two NVs
818 (hence C<nn>) and puts them into the variables C<right> and C<left>,
819 hence the C<rl>. These are the two operands to the addition operator.
820 Next, we call C<SETn> to set the NV of the return value to the result
821 of adding the two values. This done, we return - the C<RETURN> macro
822 makes sure that our return value is properly handled, and we pass the
823 next operator to run back to the main run loop.
824
825 Most of these macros are explained in L<perlapi>, and some of the more
826 important ones are explained in L<perlxs> as well. Pay special
827 attention to L<perlguts/Background and MULTIPLICITY> for
828 information on the C<[pad]THX_?> macros.
829
830 =head1 FURTHER READING
831
832 For more information on the Perl internals, please see the documents
833 listed at L<perl/Internals and C Language Interface>.