Update "Table-driven Op Definition Specification" doc
authorLei Zhang <antiagainst@google.com>
Mon, 13 May 2019 21:39:27 +0000 (14:39 -0700)
committerMehdi Amini <joker.eph@gmail.com>
Mon, 20 May 2019 20:40:43 +0000 (13:40 -0700)
    This CL turns the previous "Op Definition" doc into a manual for table-driven
    op definition specification by fleshing out more details of existing mechanisms.

--

PiperOrigin-RevId: 248013274

mlir/g3doc/OpDefinitions.md
mlir/g3doc/QuickstartRewrites.md

index 2879f35..2b2e5af 100644 (file)
-# Operation definitions
+# Table-driven Operation Definition Specification
+
+In addition to specializing the `mlir::Op` C++ template, MLIR also supports
+defining operations in a table-driven manner. This is achieved via
+[TableGen][TableGen], which is both a generic language and its tooling to
+maintain records of domain-specific information. Facts regarding an operation
+are specified concisely into a TableGen record, which will be expanded into an
+equivalent `mlir::Op` C++ template specialization at compiler build time.
+
+This manual explains in detail all the available mechansims for defining
+operations in such a table-driven manner. It aims to be a specification instead
+of a tutorial. Please refer to [Quickstart tutorial to adding MLIR graph
+rewrite](QuickstartRewrites.md) for the latter.
+
+In addition to detailing each mechanism, this manual also tries to capture
+best practices. They are rendered as quoted bullet points.
 
 ## Motivation
 
 MLIR allows pluggable dialects, and dialects contain, among others, a list of
 operations. This open and extensible ecosystem leads to the "stringly" type IR
 problem, e.g., repetitive string comparisons during optimization and analysis
-passes, unintuitive accessor methods (e.g., generic/error prone `GetOperand(3)`
-vs `GetStride()`) with more generic return types, constructors are verbose,
-generic, and don't have default arguments, the MLIR assembly format is verbose
-and unclear, and op verification is:
+passes, unintuitive accessor methods (e.g., generic/error prone `getOperand(3)`
+vs self-documenting `getStride()`) with more generic return types, verbose and
+generic constructors without default arguments, verbose textual IR dump, and
+so on. Furthermore, operation verification is:
+
+1. best case: a central string-to-verification-function map,
+1. middle case: duplication of verification across the code base, or
+1. worst case: no verification functions.
+
+The fix is to support defining ops in a table-driven manner. Then for each
+dialect, we can have a central place that contains everything you need to know
+about each op, including its constraints, custom assembly form, etc. This
+description is also used to generate helper functions and classes to allow
+building, verification, parsing, printing, analysis, and many more.
+
+## Benefits
+
+Compared to the C++ template, this table-driven approach has several benefits
+including but not limited to:
+
+* **Single source of truth**: We strive to encode all facts regarding an
+  operation into the record, so that readers don't need to jump among code
+  snippets to fully understand an operation.
+* **Removing boilerplate**: We can automatically generate
+  operand/attribute/result getter methods, operation build methods, operation
+  verify methods, and many more utilities from the record. This greatly reduces
+  the boilerplate needed for defining a new op.
+* **Facilitating auto-generation**: The usage of these operation information
+  records are by no means limited to op definition itself. We can use them to
+  drive the auto-generation of many other components, like computation graph
+  serialization.
+
+## TableGen Syntax
+
+We use TableGen as the language for specifying operation information. TableGen
+itself just provides syntax for writing records; the syntax and constructs
+allowed in a TableGen file (typically with filename suffix `.td`) can be found
+[here][TableGenIntro]. The formal language specification can be found
+[here][TableGenRef]. _Roughly_ speaking,
+
+* TableGen `class` is similar to C++ class; it can be templated and subclassed.
+* TableGen `def` is similar to C++ object; it can be declared by specializing
+  a TableGen `class` (e.g., `def MyDef : MyClass<...>;`) or completely
+  independently (e.g., `def MyDef;`). It cannot be further templated or
+  subclassed.
+* TableGen `dag` is a dedicated type for directed graph of elements. A `dag`
+  has one operator and zero or more arguments. Its syntax is `(operator arg0,
+  arg1, argN)`. The operator can be any TableGen `def`; an argument can be
+  anything, including `dag` itself. We can have names attached to both the
+  operator and the arguments like `(MyOp:$op_name MyArg:$arg_name)`.
+
+Please see the [language introduction][TableGenIntro] to learn about all the
+types and expressions supported by TableGen.
+
+## Operation Definition
+
+MLIR defines several common constructs to help operation definition and provide
+their semantics via a special [TableGen backend][TableGenBackend]:
+[`OpDefinitionsGen`][OpDefinitionsGen]. These constructs are defined in
+[`OpBase.td`][OpBase]. The main ones are
+
+* The `Op` class: It is the main construct for defining operations. All facts
+  regarding the operation is specified when specializing this class, with the
+  help of the following constructs.
+* The `Dialect` class: Operations belonging to one logical group are placed in
+  the same dialect. The `Dialect` class contains dialect-level information.
+* The `OpTrait` class hierarchy: They are used to specify special properties and
+  constraints of the operation, including whether the operation has side effect
+  or whether its output has the same shape as the input.
+* The `ins`/`outs` marker: These are two special makers builtin to the
+  `OpDefinitionsGen` backend. They lead the definitions of operands/attributes
+  and results respectively.
+* The `TypeConstraint` class hierarchy: They are used to specify the constraints
+  over operands or results. A notable subclass hierarchy is `Type`, which
+  stands for constraints for common C++ types.
+* The `AttrConstraint` class hierarchy: They are used to specify the constraints
+  over attributes. A notable subclass hierarchy is `Attr`, which stands for
+  constraints for attributes whose values are of common types.
+
+An operation is defined by specializing the `Op` class with concrete contents
+for all the fields it requires. For example, `tf.AvgPool` is defined as
 
-1.  best case: a central string-to-verification-function map,
-1.  middle case: duplication of verification across the code base, or
-1.  worst case: no verification functions.
+```tablegen
+def TF_AvgPoolOp : TF_Op<"AvgPool", [NoSideEffect]> {
+  let summary = "Performs average pooling on the input.";
 
-The fix is to support op descriptions, which (in one central place per-dialect)
-contain everything you need to know about the op, its invariants, traits,
-textual formatting, etc. This description is also used to generate helper
-functions and classes to allow analysis/builder/verification/parsing/printing.
+  let description = [{
+Each entry in `output` is the mean of the corresponding size `ksize`
+window in `value`.
+  }];
 
-## Requirements
+  let arguments = (ins
+    TF_FpTensor:$value,
 
-The op description should as declarative as possible to allow a wide range of
-tools to work with them and query methods generated from them. In particular
-this means specifying traits, constraints and shape inference information in
-a way that is easily analyzable (e.g., avoid opaque calls to C++ functions where
-possible).
+    Confined<I64ArrayAttr, [ArrayMinCount<4>]>:$ksize,
+    Confined<I64ArrayAttr, [ArrayMinCount<4>]>:$strides,
+    TF_AnyStrAttrOf<["SAME", "VALID"]>:$padding,
+    DefaultValuedAttr<TF_ConvnetDataFormatAttr, "NHWC">:$data_format
+  );
 
-We considered the approaches of several contemporary systems and focused on
-requirements that were desirable:
+  let results = (outs
+    TF_FpTensor:$output
+  );
+
+  TF_DerivedOperandTypeAttr T = TF_DerivedOperandTypeAttr<0>;
+}
+```
+
+In the following we describe all the fields needed. Please see the definition
+of the `Op` class for the complete list of fields supported.
+
+### Operation name
+
+The operation name is a unique identifier of the operation within MLIR, e.g.,
+`Add` for addition operation. This is the equivalent of the mnemonic in assembly
+language. It is used for parsing and printing in the textual format. It is also
+used for pattern matching in graph rewrites. The operation name is provided as
+the first template parameter to the `Op` class.
 
-*   Ops registered using a registry separate from C++ code.
-    *   Unknown ops are allowed in MLIR, so ops need not be registered. The
-        ability of the compiler to optimize those ops or graphs containing those
-        ops is constrained but correct.
-    *   The current proposal does not include a runtime op description, but it
-        does not preclude such description, it can be added later.
-    *   The op registry is essential for generating C++ classes that make
-        manipulating ops, verifying correct construction etc. in C++ easier by
-        providing a typed representation and accessors.
-*   The op registry will be defined in
-    [TableGen](https://llvm.org/docs/TableGen/index.html) and be used to
-    generate C++ classes and utility functions
-    (builder/verifier/parser/printer).
-    *   TableGen is a modelling specification language used by LLVM's backends
-        and fits in well with trait based modelling. This is an implementation
-        decision and there are alternative ways of doing this. But the
-        specification language is good for the requirements of modelling the
-        traits (as seen from usage in LLVM processor backend modelling) and easy
-        to extend, so a practical choice. If another good option comes up, we
-        will consider it.
-*   MLIR allows both defined and undefined ops.
-    *   Defined ops should have fixed semantics and could have a corresponding
-        reference implementation defined using, for example, EDSC.
-    *   Dialects are under full control of the dialect owner and normally live
-        with the framework of the dialect.
-*   The op's traits (e.g., commutative) are modelled along with the op in
-    the registry.
-*   The op's operand/return type constraints are modelled along with the op in
-    the registry (see [Type constraints](#type-constraints) discussion below),
-    this allows (e.g.) optimized concise syntax in textual dumps.
-*   Behavior of the op is documented along with the op with a summary and a
-    description. The description is written in markdown and extracted for
-    inclusion in the generated LangRef section of the dialect.
-*   The generic assembly form of printing and parsing is available as normal,
-    but a custom parser and printer can either be specified or automatically
-    generated from an optional string representation showing the mapping of the
-    "assembly" string to operands/type.
-    *   Parser-level remappings (e.g., `eq` to enum) will be supported as part
-        of the parser generation.
-*   Matching patterns are specified separately from the op description.
-    *   Contrasted with LLVM there is no "base" set of ops that every backend
-        needs to be aware of. Instead there are many different dialects and the
-        transformations/legalizations between these dialects form a graph of
-        transformations.
-*   Reference implementation may be provided along with the op definition.
-
-    *   The reference implementation may be in terms of either standard ops or
-        other reference implementations.
-
-        TODO: document expectation if the dependent op's definition changes.
-
-## Operation definition
-
-As an example of the proposal to declare an operation (say `tf.Add)`. This is
-intended to be a fully contained example, in practice one would create a helper
-classes that abstract out common functionality (e.g., `TF_BinaryOp`).
+### Operation documentation
+
+This includes both an one-line `summary` and a longer human-readable
+`description`. They will be used to drive automatic generation of dialect
+documentation. They need to be provided in the operation's definition body:
 
 ```tablegen
-def TF_AddOp : Op<"tf.Add", [Broadcastable, NoSideEffect]>,
-               Arguments<(ins TF_Tensor:$x, TF_Tensor:$y)>,
-               Results<(outs TF_Tensor:$z)> {
-  let summary = "Addition operator";
+let summary = "...";
 
-  let description = [{
-    Returns lhs + rhs element-wise.
+let description = [{
+...
+}];
+```
 
-    The inputs and result must be of the same elemental type.
-  }];
+`description` should be written in Markdown syntax.
 
-  let reference = [{
-    auto ivs = makeBindables(lhsShape.size());
-    block = edsc::Block({
-      For(ivs, 0, lhsShape, 1, {
-        result[ivs] = lhs[ivs] + rhs[ivs]
-      })});
-    }
-  }];
+Placing the documentation at the beginning is recommended since
+it helps in understanding the operation.
+
+> * Place documentation at the beginning of the operation definition
+> * The summary should be short and concise. It should be a one-liner without
+>   trailing punctuation. Put expanded explanation in description.
+
+### Operation arguments
+
+There are two kinds of arguments: operands and attributes. Operands are runtime
+values produced by other ops; while attributes are compile-time known constant
+values, including two categories:
+
+1. Natural attributes: these attributes affect the behavior of the operations
+   (e.g., padding for convolution);
+1. Derived attributes: these attributes are not needed to define the operation
+   but are instead derived from information of the operation. E.g., the output
+   shape of type. This is mostly used for convenience interface generation or
+   interaction with other frameworks/translation.
+
+Both operands and attributes are specified inside the `dag`-typed `arguments`,
+led by `ins`:
+
+```tablegen
+let arguments = (ins
+  <type-constraint>:$<operand-name>,
+  ...
+
+  <attr-constraint>:$<attr-name>,
+  ...
+);
+```
+
+Here `<type-constraint>` is a TableGen `def` from the `TypeConstraint` class
+hierarchy. Similarly, `<attr-constraint>` is a TableGen `def` from the
+`AttrConstraint` class hierarchy. See [Constraints](#constraints) for more
+information.
+
+There is no requirements on the relative order of operands and attributes; they
+can mix freely. But it is recommended to put all operands ahead of attributes,
+and use an empty line to separate them to make it more visually distinguishable
+if possible. The relative order of operands themselves matters.
+
+All the arguments should be named to 1) provide documentation, 2) drive
+auto-generation of getter methods, 3) provide a handle to reference for other
+places like constraints.
+
+> * Place attributes after operands if possible
+> * Give operands and attribute proper names
+
+#### Variadic operands
+
+To declare a variadic operand, wrap the `TypeConstraint` for the operand with
+`Variadic<...>`.
+
+Normally operations have no variadic operands or just one variadic operand.
+For the latter case, it is easily deduce which dynamic operands are for the
+static variadic operand definition. But if an operation has more than one
+variadic operands, it would be impossible to attribute dynamic operands to the
+corresponding static variadic operand definitions without further information
+from the operation. Therefore, the `SameVariadicOperandSize` trait is needed
+to indicate that all variadic operands have the same number of dynamic values.
+
+#### Optional attributes
+
+To declare an optional attribute, wrap the `AttrConstraint` for the attribute
+with `OptionalAttr<...>`.
+
+#### Attributes with default values
+
+To declare an attribute with a default value, wrap the `AttrConstraint` for the
+attribute with `DefaultValuedAttr<..., "...">`.
+
+The second parameter to `DefaultValuedAttr` should be a string containing the
+C++ default value. For example, a float default value should be specified as
+like `"0.5f"`, and an integer array default value should be specified as like
+`"{1, 2, 3}"`.
+
+#### Confining attributes
+
+`Confined` is provided as a general mechanism to help modelling further
+constraints on attributes beyond the ones brought by value types. You can use
+`Confined` to compose complex constraints out of more primitive ones. For
+example, an 32-bit integer attribute whose minimal value must be 10 can be
+expressed as `Confined<I32Attr, [IntMinValue<10>]>`.
+
+Right now, the following primitive constraints are supported:
+
+* `IntMinValue<N>`: Specifying an integer attribute to be greater than or equal
+  to `N`
+* `ArrayMinCount<N>`: Specifying an array attribute to have at least `N`
+  elements
+* `IntArrayNthElemEq<I, N>`: Specifying an integer array attribute's `I`-th
+  element to be equal to `N`
+* `IntArrayNthElemMinValue<I, N>`: Specifying an integer array attribute's
+  `I`-th element to be greater than or equal to `N`
+
+TODO: Design and implement more primitive constraints
+
+### Operation results
+
+Similar to operands, results are specified inside the `dag`-typed `results`, led
+by `outs`:
+
+```tablgen
+let results = (outs
+  <type-constraint>:$<result-name>,
+  ...
+);
+```
+
+#### Variadic results
+
+Similar to variadic operands, `Variadic<...>` can also be used for results.
+And similarly, `SameVariadicResultSize` for multiple variadic results in the
+same operation.
+
+### Operation traits and constraints
+
+Traits are operation properties that affect syntax or semantics. MLIR C++
+models various traits in the `mlir::OpTrait` namespace.
+
+Both operation traits and constraints involving multiple
+operands/attributes/results are provided as the second template parameter to the
+`Op` class. They should be deriving from the `OpTrait` class. See
+[Constraints](#constraints) for more information.
+
+### Custom builder methods
+
+For each operation, there are two builder automatically generated based on the
+arguments and returns types:
+
+```c++
+static void build(Builder *, OperationState *tblgen_state,
+                  Type <result0-name>, Type <result1-name>, ...,
+                  Value <arg0-name>, Value <arg1-name>, ...,
+                  Attribute <attr0-name>, Attribute <attr1-name>, ...);
+
+static void build(Builder *, OperationState *tblgen_state,
+                  ArrayRef<Type> resultTypes,
+                  ArrayRef<Value> operands,
+                  ArrayRef<NamedAttribute> attributes);
+```
+
+The above cases makes sure basic uniformity so that we can create ops using the
+same form regardless of the exact op. This is particularly useful for
+implementing declarative pattern rewrites.
+
+However, if the above cases cannot satisfy all needs, you can define additional
+convenience build methods with `OpBuilder`.
+
+`OpBuilder` is a class that takes the parameter list and the optional `build()`
+method body. They are separated because we need to generate op declaration and
+definition into separate files. The parameter list should _include_
+`Builder *builder, OperationState *state`. If the `body` is not provided, _only_
+the builder declaration will be generated; this provides a way to define
+complicated builders entirely in C++ files.
+
+For example, for the following op:
+
+```tablegen
+def MyOp : Op<"my_op", []> {
+  let arguments = (ins F32Attr:$attr);
+
+  let results = (outs);
+}
+```
+
+If we want to define a builder with a default value for the only attribute, we
+can add into `MyOp`:
+
+```tablegen
+def MyOp : ... {
+  ...
+
+  let builders = [
+    OpBuilder<"Builder *builder, OperationState *state, float val = 0.5f", [{
+      state->addAttribute("attr", builder->getF32FloatAttr(val));
+    ]}>
+  ]
 }
 ```
 
-Operation definitions consists of:
+The generated builder will look like:
 
-1.  Operation name (`opName`).
+```c++
+static void build(Builder *builder, OperationState *state, float val = 0.5f) {
+  state->addAttribute("attr", builder->getF32FloatAttr(val));
+}
+```
 
-    This is a unique identifier used to distinguish this operation vs all others
-    defined in MLIR. This is the equivalent of the mnemonic in assembly
-    language. Operations are within dialects which effectively namespace
-    operations. The C++ class generated for the operation is based on the
-    definition in the TableGen's file's name. E.g., `TF_AddOp` above would
-    result in a C++ class called `AddOp` generated in the namespace `TF`.
+### Custom parser and printer methods
 
-1.  Summmary and description.
+Functions to parse and print the operation's custom assembly form.
 
-    These are human readable documentation for the operation. Documentation of
-    the operations can be generated from the same source of truth as the
-    operation.
+### Custom verifier code
 
-1.  Arguments (`arguments`).
+Verification code will be automatically generated for
+[constraints](#constraints) specified on various entities of the op. To
+perform _additional_ verification, you can use
 
-    This is a list of operands (optionally named) and named attributes used to
-    generate builder, accessor functions and verification.
+```tablegen
+let verifier = [{
+  ...
+}];
+```
 
-    1.  Operands.
+Code placed in `verifier` will be called after the auto-generated verification
+code.
 
-        These are the results of other operations and mostly only known at
-        runtime. They can have a fixed type or correspond to set of possible
-        types. See [Type constraints](#type-constraints) specification below.
+### `hasCanonicalizer`
 
-    1.  Attributes.
+This boolean field indicate whether canonicalization patterns have been defined
+for this operation. If it is `1`, then `::getCanonicalizationPatterns()` should
+be defined.
 
-        These are compile time constant values of the operation.
+### `hasConstantFolder`
 
-    1.  Natural attributes.
+This boolean field indicate whether constant folding rules have been defined
+for this operation. If it is `1`, then `::constantFold()` should be defined.
 
-        These attributes affect the behavior of the operations (e.g., padding
-        for convolution);
+### `hasFolder`
 
-    1.  Derived attributes.
+This boolean field indicate whether general folding rules have been defined
+for this operation. If it is `1`, then `::fold()` should be defined.
 
-        These attributes are not needed to define the operation but are instead
-        derived from attributes of the operation. E.g., the output shape of
-        type. This is mostly used for convenience interface generation or
-        interaction with other frameworks/translation.
+### Extra declarations
 
-1.  Return types.
+One of the goals of table-driven op definition is to auto-generate as much logic
+and methods needed for each op as possible. With that said,there will always be
+long-tail cases that won't be covered. For such cases, you can use
+`extraClassDeclaration`. Code in `extraClassDeclaration` will be copied
+literally to the generated C++ op class.
 
-    The type of the value(s) returned by the operation.
+Note that `extraClassDeclaration` is a mechanism intended for long-tail cases
+by power users; for not-yet-implemented widely-applicable cases, improving the
+infrastructure is preferable.
 
-1.  Traits.
+## Constraints
 
-    Traits of the operations. They are operation properties that affect syntax
-    or semantics. MLIR C++ models various traits in the `mlir::OpTrait`
-    namespace. In TableGen, we have the corresponding `OpTrait` class to wrap
-    around any C++ trait symbol and use it in operation definition. For example,
-    `NoSideEffect` is just a definition that expands to
-    `OpTrait<"HasNoSideEffect">`; having such a definition makes the trait
-    inside TableGen more integrated and easier to parse as a declarative
-    language.
+Constraint is a core concept in table-driven operation definition: operation
+verification and graph operation matching are all based on satisfying
+constraints. So both the operation definition and rewrite rules specification
+significantly involve writing constraints. We have the `Constraint` class in
+[`OpBase.td`][OpBase] has the common base class for all constraints.
 
-1.  Reference description.
+An operation's constraint can cover different range; it may
 
-    The description of the operation is encoded as C++ builder using EDSC. This
-    is still under active discussion and will be fleshed out post-prototyping.
+* Only concern a single attribute (e.g. being an 32-bit integer greater than 5),
+* Multiple operands and results (e.g., the 1st result's shape must be the same
+  as the 1st operand), or
+* Intrinsic to the operation itself (e.g., having no side effect).
 
-1.  Custom builder method (`builder`).
+We call them as single-entity constraint, multi-entity constraint, and traits,
+respectively.
 
-    This is used to generate additional convenience builder methods. For example
-    when defining a C++ builder method that has default values. There are two
-    builder automatically generated based on the arguments and returns types
-    (see op_base.td).
+### Single-entity constraint
 
-1.  Custom printer method.
+Constraints scoped to a single operand, attribute, or result are specified at
+the entity's declaration place as described in
+[Operation arguments](#operation-arguments) and
+[Operation results](#operation-results).
 
-    The custom printer to invoke when producing the custom assembly form output.
+To help modelling constraints of common types, a set of `TypeConstraint`s are
+created; they are the `Type` subclass hierarchy. It includes `F32` for the
+constraints of being a float, `TypedTensor<F32>` for the constraints of being
+a float tensor, and so on.
 
-1.  Custom verifier code.
+Similarly, a set of `AttrConstraint`s are created for helping modelling
+constraints of common attribute kinds. They are the `Attr` subclass hierarchy.
+It includes `F32Attr` for the constraints of being an float attribute,
+`F32ArrayAttr` for the constraints of being a float array attribute, and so on.
 
-    Additional verification to perform in addition to those generated due to
-    operands, attributes, and traits.
+### Multi-entity constraint
 
-1.  hasCanonicalizer and hasConstantFolder.
+Constraints involving more than one operand/attribute/result are quite common
+on operations, like the element type and shape relation between operands and
+results. These constraints should be specified as the `Op` class template
+parameter as described in
+[Operation traits and constraints](#operation-traits-and-constraints).
 
-    These boolean fields indicate whether canonicalization patterns or constant
-    folding have been defined for this operation.
+Multi-entity constraints are modeled as `PredOpTrait` (a subclass of `OpTrait`)
+in [`OpBase.td`][OpBase].A bunch of constraint primitives are provided to help
+specification. See [`OpBase.td`][OpBase] for the complete list.
 
-### For custom parsing and printing
+### Trait
 
-In the operation definition the user can specify custom functions to print or
-parse the operation.
+Traits are intrinsic properties of the operation like having side effect or not,
+commutative or not, whether is a terminator, etc. These constraints should be
+specified as the `Op` class template parameter as described in
+[Operation traits and constraints](#operation-traits-and-constraints).
 
-FIXME: Autogenerating printing/parsing has not been prototyped, and potentially
-just being able to specify custom printer/parser methods are sufficient. This
-should presumably be influenced by the design of the assembler/disassembler
-logic that LLVM backends get for free for machine instructions.
+Traits are modeled as `NativeOpTrait` (a subclass of `OpTrait`) in
+[`OpBase.td`][OpBase]. They are backed and will be translated into the
+corresponding C++ `mlir::OpTrait` classes.
 
-The custom assembly form emitter form of the operation is specified using a
-string with matching operation name, operands and attributes. With the ability
-to express additional information that needs to be parsed to build the
-operation:
+### How to specify new constraint
+
+To write a constraint, you need to provide its predicates and give it a
+descriptive name. Predicates, modeled with the `Pred` class, are the workhorse
+for composing constraints. The predicate for a constraint is typically built up
+in a nested manner, using the two categories of predicates:
+
+1. `CPred`: the primitive leaf predicate.
+2. Compound predicate: a predicate composed from child predicates using
+   predicate combiners (conjunction: `AllOf`, disjunction: `AnyOf`, negation:
+   `Neg`, substitution: `SubstLeaves`, concatenation: `Concat`).
+
+`CPred` is the basis for composing more complex predicates. It is the "atom"
+predicate from the perspective of TableGen and the "interface" between
+TableGen and C++. What is inside is already C++ code, which will be treated
+as opaque strings with special placeholders to be substituted.
+
+You can put any C++ code that returns a boolean value inside a `CPred`,
+including evaluating expressions, calling functions, calling class methods,
+and so on.
+
+To help interaction with the C++ environment, there are a few special
+placeholders provided to refer to entities in the context where this predicate
+is used. They serve as "hooks" to the enclosing environment.  This includes
+`$_builder`, `$_op`, and `$_self`:
+
+* `$_builder` will be replaced by a `mlir::Builder` instance so that you can
+  access common build methods.
+* `$_op` will be replaced by the current operation so that you can access
+  information of the current operation.
+* `$_self` will be replaced with the entity this predicate is attached to.
+  E.g., `BoolAttr` is an attribute constraint that wraps a
+  `CPred<"$_self.isa<BoolAttr>()">`. Then for `F32:$attr`,`$_self` will be
+  replaced by `$attr`. For type constraints, it's a little bit special since
+  we want the constraints on each type definition reads naturally and we want
+  to attach type constraints directly to an operand/result, `$_self` will be
+  replaced by the operand/result's type. E.g., for `F32` in `F32:$operand`, its
+  `$_self` will be expanded as `getOperand(...)->getType()`.
+
+TODO(b/130663252): Reconsider the leading symbol for special placeholders.
+Eventually we want to allow referencing operand/result $-names; such $-names
+can start with underscore.
+
+For example, to write an attribute `attr` is an `IntegerAttr`, in C++ you can
+just call `attr.isa<IntegerAttr>()`. The code can be wrapped in a `CPred` as
+`$_self.isa<IntegerAttr>()`, with `$_self` as the special placeholder to be
+replaced by the current attribute `attr` at expansion time.
+
+For more complicated predicates, you can wrap it in a single `CPred`, or you
+can use predicate combiners to combine them. For example, to write the
+constraint that an attribute `attr` is an 32-bit or 64-bit integer, you can
+write it as
 
 ```tablegen
-tfl.Add $lhs, $rhs {fused_activation_function:
-                   $fused_activation_function }: ${type(self)}
+AllOf<[
+  CPred<"$_self.isa<IntegerAttr>()">,
+  AnyOf<[
+    CPred<"$_self.cast<IntegerAttr>().getType().isInteger(32)">,
+    CPred<"$_self.cast<IntegerAttr>().getType().isInteger(64)">
+  ]>
+]>
 ```
 
-1.  The output is never shown in the "mnemonics" string as that is fixed form
-    and cannot be altered.
+(Note that the above is just to show with a familiar example how you can use
+`CPred` and predicate combiners to write complicated predicates. For integer
+attributes specifically, [`OpBase.td`][OpBase] already defines `I32Attr` and
+`I64Attr`. So you can actually reuse them to write it as
+`AnyOf<[I32Attr.predicate, I64Attr.predicate]>`.)
 
-1.  Custom parsing of ops may include some punctuation (e.g., parenthesis).
+TODO: Build up a library of reusable primitive constraints
 
-1.  The operands/results are added to the created operation in the order that
-    they are shown in the input and output dags.
+If the predicate is very complex to write with `CPred` together with predicate
+combiners, you can also write it as a normal C++ function and use the `CPred`
+as a way to "invoke" the function. For example, to verify an attribute `attr`
+has some property, you can write a C++ function like
 
-1.  The `${type(self)}` operator is used to represent the type of the operator.
-    The type of operands can also be queried.
+```cpp
+bool HasSomeProperty(Attribute attr) { ... }
+```
 
-1.  Attributes names are matched to the placeholders in the mnemonic strings.
-    E.g., attribute axis is matched with `$axis`. Custom parsing for attribute
-    type can be defined along with the attribute definition.
+and then define the op as:
 
-1.  The information in the custom assembly form should be sufficient to invoke
-    the builder generated. That may require being able to propagate information
-    (e.g., the `$lhs` has the same type as the result).
+```tablegen
+def HasSomeProperty : AttrConstraint<CPred<"HasSomeProperty($_self)">,
+                                     "has some property>;
+
+def MyOp : Op<...> {
+  let arguments = (ins
+    ...
+    HasSomeProperty:$attr
+  );
+}
+```
+
+As to whether we should define the predicate using a single `CPred` wrapping
+the whole expression, multiple `CPred`s with predicate combiners, or a single
+`CPred` "invoking" a function, there are no clear-cut criteria. Defining using
+`CPred` and predicate combiners is preferrable since it exposes more information
+(instead hiding all the logic behind a C++ function) into the op definition spec
+so that it can pontentially drive more auto-generation cases. But it will
+require a nice library of common predicates as the building blocks to avoid the
+duplication, which is being worked on right now.
+
+## Attribute Definition
+
+TODO: This section is outdated. Update it.
+
+An attribute is a compile time known constant of an operation. Attributes are
+required to be known to construct an operation (e.g., the padding behavior is
+required to fully define the `conv2d` op).
+
+Attributes are defined as having a storage type (corresponding to a derived
+class of `mlir::Attribute`), a return type (that corresponds to the C++ type to
+use in the generation of the helper accessors) as well as method to convert
+between the internal storage and the helper method. Derived attributes are a
+special class of attributes that do not have storage but are instead calculated
+based on the operation and its attributes.
+
+## Appendix
+
+### Requirements and existing mechanisms analysis
+
+The op description should as declarative as possible to allow a wide range of
+tools to work with them and query methods generated from them. In particular
+this means specifying traits, constraints and shape inference information in
+a way that is easily analyzable (e.g., avoid opaque calls to C++ functions where
+possible).
+
+We considered the approaches of several contemporary systems and focused on
+requirements that were desirable:
+
+* Ops registered using a registry separate from C++ code.
+  * Unknown ops are allowed in MLIR, so ops need not be registered. The
+    ability of the compiler to optimize those ops or graphs containing those
+    ops is constrained but correct.
+  * The current proposal does not include a runtime op description, but it
+    does not preclude such description, it can be added later.
+  * The op registry is essential for generating C++ classes that make
+    manipulating ops, verifying correct construction etc. in C++ easier by
+    providing a typed representation and accessors.
+* The op registry will be defined in
+  [TableGen](https://llvm.org/docs/TableGen/index.html) and be used to
+  generate C++ classes and utility functions
+  (builder/verifier/parser/printer).
+  * TableGen is a modelling specification language used by LLVM's backends
+    and fits in well with trait based modelling. This is an implementation
+    decision and there are alternative ways of doing this. But the
+    specification language is good for the requirements of modelling the
+    traits (as seen from usage in LLVM processor backend modelling) and easy
+    to extend, so a practical choice. If another good option comes up, we
+    will consider it.
+* MLIR allows both defined and undefined ops.
+  * Defined ops should have fixed semantics and could have a corresponding
+    reference implementation defined using, for example, EDSC.
+  * Dialects are under full control of the dialect owner and normally live
+    with the framework of the dialect.
+* The op's traits (e.g., commutative) are modelled along with the op in
+  the registry.
+* The op's operand/return type constraints are modelled along with the op in
+  the registry (see [Type constraints](#type-constraints) discussion below),
+  this allows (e.g.) optimized concise syntax in textual dumps.
+* Behavior of the op is documented along with the op with a summary and a
+  description. The description is written in markdown and extracted for
+  inclusion in the generated LangRef section of the dialect.
+* The generic assembly form of printing and parsing is available as normal,
+  but a custom parser and printer can either be specified or automatically
+  generated from an optional string representation showing the mapping of the
+  "assembly" string to operands/type.
+  * Parser-level remappings (e.g., `eq` to enum) will be supported as part
+    of the parser generation.
+* Matching patterns are specified separately from the op description.
+  * Contrasted with LLVM there is no "base" set of ops that every backend
+    needs to be aware of. Instead there are many different dialects and the
+    transformations/legalizations between these dialects form a graph of
+    transformations.
+* Reference implementation may be provided along with the op definition.
+  * The reference implementation may be in terms of either standard ops or
+    other reference implementations.
+
+    TODO: document expectation if the dependent op's definition changes.
+
+### A proposal for auto-generating printer and parser methods
+
+NOTE: Auto-generating printing/parsing (as explained in the below) has _not_
+been prototyped, and potentially just being able to specify custom printer/
+parser methods are sufficient. This should presumably be influenced by the
+design of the assembler/disassembler logic that LLVM backends get for free
+for machine instructions.
+
+The custom assembly form of the operation is specified using a string with
+matching operation name, operands and attributes. With the ability
+to express additional information that needs to be parsed to build the
+operation:
+
+```tablegen
+tfl.add $lhs, $rhs {fused_activation_function: $fused_activation_function}: ${type(self)}
+```
+
+1. The output is never shown in the "mnemonics" string as that is fixed form
+   and cannot be altered.
+1. Custom parsing of ops may include some punctuation (e.g., parenthesis).
+1. The operands/results are added to the created operation in the order that
+   they are shown in the input and output dags.
+1. The `${type(self)}` operator is used to represent the type of the operator.
+   The type of operands can also be queried.
+1. Attributes names are matched to the placeholders in the mnemonic strings.
+   E.g., attribute axis is matched with `$axis`. Custom parsing for attribute
+   type can be defined along with the attribute definition.
+1. The information in the custom assembly form should be sufficient to invoke
+   the builder generated. That may require being able to propagate information
+   (e.g., the `$lhs` has the same type as the result).
 
 Printing is effectively the inverse of the parsing function generated with the
 mnemonic string serving as a template.
 
-## Type constraints
+### Shape inference
 
-Constraints are along (at least) three axis: 1) elemental type, 2) rank
+Type constraints are along (at least) three axis: 1) elemental type, 2) rank
 (including static or dynamic), 3) dimensions. While some ops have no compile
 time fixed shape (e.g., output shape is dictated by data) we could still have
 some knowledge of constraints/bounds in the system for that op (e.g., the output
@@ -280,25 +709,12 @@ function, the reference implementation of the operation will be used to derive
 the shape function. The reference implementation is general and can support the
 arbitrary computations needed to specify output shapes.
 
-## Attribute definition
 
-An attribute is a compile time known constant of an operation. Attributes are
-required to be known to construct an operation (e.g., the padding behavior is
-required to fully define the `conv2d` op). Attributes are defined as having a
-storage type (corresponding to a derived class of `mlir::Attribute`), a return
-type (that corresponds to the C++ type to use in the generation of the helper
-accessors) as well as method to convert between the internal storage and the
-helper method. Derived attributes are a special class of attributes that do not
-have storage but are instead calculated based on the operation and its
-attributes.
-
-As with types, attributes can have a set of condition that need to be satisfied
-(e.g., attribute has to be floating point, has to be nonnegative, has to be in a
-range). This is true both in the specification of operations as well as matching
-rules (see [DAG rewrites](op-dag-pattern-rewrites)).
 
 # Rewrite pattern description
 
+TODO: Move this section to a dedicated doc for graph rewrites
+
 MLIR aims to support many graph transformations across multiple levels of
 representation using declarative patterns. These patterns can be expressed using
 TableGen as well as dynamically (TBD).
@@ -344,3 +760,10 @@ single output.
 TODO: Add constraints on the matching rules.
 
 TODO: Describe the generation of benefit metric given pattern.
+
+[TableGen]: https://llvm.org/docs/TableGen/index.html
+[TableGenIntro]: https://llvm.org/docs/TableGen/LangIntro.html
+[TableGenRef]: https://llvm.org/docs/TableGen/LangRef.html
+[TableGenBackend]: https://llvm.org/docs/TableGen/BackEnds.html#introduction
+[OpBase]: https://github.com/tensorflow/mlir/blob/master/include/mlir/IR/OpBase.td
+[OpDefinitionsGen]: https://github.com/tensorflow/mlir/blob/master/tools/mlir-tblgen/OpDefinitionsGen.cpp
index c0d6207..6335bd5 100644 (file)
@@ -7,7 +7,9 @@ patterns and the rewrite engine is preferred, showing the walker is for
 demonstration purposes).
 
 See [MLIR specification](LangRef.md) for more information about MLIR, the
-structure of the IR, operations, etc.
+structure of the IR, operations, etc. See [Table-driven Operation Definition
+Manual](OpDefinitions.md) for the detailed explanation of all available
+mechansims for defining operations in a table-driven manner.
 
 ## Adding operation