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LLVM

內(nèi)容較多，本文盡量不廢話，看起來會有點(diǎn)刻板，但都是干貨，請各位先仔細(xì)并且充分的理解以下三個(gè)問題 :

1. 為什么要了解LLVM和Clang?
2. 什么是LLVM?
3. 什么是Clang?

注 : 概念性的資料源于百科(維基百科或LLVM官網(wǎng))。

前言 : 為什么要了解LLVM?

因?yàn)?code>Objective-C和Swift語言都是編譯型語言，所以需要編譯器對其轉(zhuǎn)換成機(jī)器語言才會被系統(tǒng)識別，而它們的編譯器都是基于LLVM體系開發(fā)的。

對編譯器、編譯型語言有所遺忘的童鞋看這里。

一、簡述什么是LLVM

前言

第一 :
本節(jié)的重點(diǎn)雖然是LLVM，但是主要還是以iOSer的角度來看的。

第二 :
要想深入學(xué)習(xí)LLVM的話，本節(jié)的這些內(nèi)容只能算是一個(gè)概念的大體簡述，尤其主要是iOS的視角，所以想了解更多LLVM的同學(xué)，還需自行查看LLVM官網(wǎng)。

第三 :
如果覺得LLVM官網(wǎng)真的很難懂，又全是英文，翻譯無法精準(zhǔn)的話，那么可以看一下知乎上的藍(lán)色大大對于LLVM的講解，再配合LLVM官網(wǎng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

概念

這里的概念全部引自LLVM官網(wǎng)。

LLVM現(xiàn)在已經(jīng)不是一個(gè)名稱的首字母縮寫了(最初還真是)，而是一個(gè)項(xiàng)目名稱，是一個(gè)模塊化的、可重用的編譯器和工具鏈技術(shù)的集合。

簡言之，LLVM是架構(gòu)編輯器的框架系統(tǒng)。

所謂工具鏈技術(shù)，舉個(gè)栗子 :

嵌入式Linux就提供了一套完整的工具鏈，它利用GNU的gcc做編譯器，利用gdb、xgdb做調(diào)試工具，可以很方便的實(shí)現(xiàn)從操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的應(yīng)用軟件各個(gè)級別的調(diào)試。

所謂框架系統(tǒng) :

就是說LLVM不僅僅是某一樣具體的事物，而是由很多模塊組合起來的框架。

所謂框架就是你可以基于它提供的功能開發(fā)自己的模塊，并且集成到LLVM系統(tǒng)上，增加LLVM的功能。

或者你也可以利用LLVM作為一種底層支持，去完成自己的軟件開發(fā)。

概述

LLVM曾是Low Level Virtual Machine(低等級虛擬機(jī))的縮寫，現(xiàn)在它是一個(gè)項(xiàng)目體系、是一套框架系統(tǒng)。

LLVM項(xiàng)目包括了非常多的子項(xiàng)目，包括iOS開發(fā)者常見的Clang，LLDB，libc++和libc++ ABI，這都是LLVM的主要子項(xiàng)目。

LLVM雖然包含了這么多編譯器作為子項(xiàng)目，但是它本身并不是編譯器，也不是編譯器后端。

它提供的是編譯器所需的一系列的庫。例如程序分析、代碼優(yōu)化、機(jī)器代碼生成等，并且提供了調(diào)用這些庫的相關(guān)工具。也為這些庫提供了方便簡單的、具備類型的、與平臺無關(guān)的統(tǒng)一中間代碼語言——LLVM IR。

LLVM以C++編寫而成，用于優(yōu)化以任意程序語言編寫的 :

• 編譯時(shí)間 (compile-time)

• 鏈接時(shí)間 (link-time)

• 運(yùn)行時(shí)間 (run-time)

• 空閑時(shí)間 (idle-time)

LLVM對開發(fā)者保持開放，并且兼容現(xiàn)有的腳本。

二、編譯器的設(shè)計(jì)

在探索LLVM的設(shè)計(jì)之前，先看一下傳統(tǒng)的編譯器設(shè)計(jì)，來比較兩者的區(qū)別，以探索LLVM的優(yōu)勢。

1. 傳統(tǒng)編譯器的設(shè)計(jì)

如圖2.1.0所示

圖2.1.0

傳統(tǒng)的編譯器整體流程是 :

源碼 --> 編譯器前端 --> 優(yōu)化器 --> 編譯器后端/代碼生成器(CodeGenetator) --> 機(jī)器語言

1.1 編譯器前端(Frontend)

傳統(tǒng)的編譯器前端主要任務(wù)就是讀取源代碼，對讀取的源代碼做詞法分析、語法分析、語義分析，通過這些分析來檢查源代碼是否存在錯(cuò)誤，然后構(gòu)建語法樹 (Abstract Syntax Tree, AST)。

1.2 優(yōu)化器(Optimizer)

優(yōu)化器的責(zé)任就是各種優(yōu)化。改善代碼的運(yùn)行時(shí)間，例如消除冗余計(jì)算等。

1.3 編譯器后端(Backend)/代碼生成器(CodeGenerator)

將代碼映射到目標(biāo)指令集，生成機(jī)器語言，并進(jìn)行機(jī)器相關(guān)的代碼優(yōu)化。

后端或者說代碼生成器，最后生成的是對應(yīng)不同架構(gòu)的二進(jìn)制文件，之所以需要生成不同的二進(jìn)制文件，就是因?yàn)椴煌募軜?gòu)有不同的指令集，不同的指令集對相同的二進(jìn)制文件的指令識別是不同的，所以要將代碼映射到對應(yīng)的指令集。

2. iOS的編譯器架構(gòu)

所謂iOS的編譯器架構(gòu)其實(shí)就是LLVM編譯器架構(gòu)中的一部分。包括Objective-C、C、C++在內(nèi)，它們使用的編譯器前端都是Clang。而Swift的編譯器前端就是Swift。它們的編譯器后端則全部都是LLVM Code Generator。

而Clang也只是整個(gè)LLVM架構(gòu)中的一個(gè)子項(xiàng)目，屬于編譯器前端。

來看iOS的編譯器架構(gòu)圖 :

圖2.2.0

很明顯，iOS的編譯器是通過Clang或者Swift來完成詞法分析、語法分析、語義分析的步驟，來完成對源代碼的錯(cuò)誤排查，然后生成抽象語法樹(AST)。

這里利用的就是LLVM的前端，和傳統(tǒng)編譯器的不同點(diǎn)是，Clang不止做完了上述的排查，還會生成一個(gè)非常重要的東西——IR。

什么是IR?

LLVM的編譯器前端不僅會完成分析排查和生成抽象語法樹的工作，還會生成中間代碼，這個(gè)中間代碼在LLVM中被稱作IR (intermediate representation)。

那么用語言來描述iOS的編譯器架構(gòu)設(shè)計(jì)流程就是 :

1. Clang/Swift讀取源代碼，檢查詞法、語法、語義的分析，排查錯(cuò)誤，生成抽象語法樹(AST)，并生成中間代碼IR。

2. 然后將IR給到LLVM的優(yōu)化器(Optimizer)，改善代碼的運(yùn)行時(shí)間，消除冗余計(jì)算等。

3. 最后將優(yōu)化過的IR再傳給后端或者說代碼生成器，由后端/代碼生成器完成將IR轉(zhuǎn)換成對應(yīng)不同架構(gòu)的二進(jìn)制文件，完成機(jī)器代碼的相關(guān)優(yōu)化。

3. LLVM的設(shè)計(jì)

LLVM的設(shè)計(jì)核心 : 中間代碼IR。

LLVM的設(shè)計(jì)重點(diǎn)和優(yōu)勢 : 面對多種源語言(編譯器前端來做)，或者多種硬件架構(gòu)(編譯器后端來做)的情況時(shí)，對比傳統(tǒng)的編譯器例如GCC，優(yōu)勢就是LLVM的IR設(shè)計(jì)。

由于GCC是以一個(gè)整體應(yīng)用程序設(shè)計(jì)的，也就是說，如果你的前端源語言或者后端硬件架構(gòu)，任一一個(gè)發(fā)生了變化的話，你需要重新設(shè)計(jì)一整套前端--優(yōu)化器--后端的編譯器。

LLVM的設(shè)計(jì)圖 :

圖2.3.0

1. 前端讀取源碼，經(jīng)過傳統(tǒng)步驟后，多增加一步生成中間代碼IR，然后輸出IR給優(yōu)化器。

2. 優(yōu)化器讀取的是前端傳輸過來的IR，優(yōu)化的也是IR，然后輸出的還是IR。所以優(yōu)化器只需要對傳入過來的IR做優(yōu)化即可，無論前端是什么樣的源語言類型，都會被轉(zhuǎn)成IR。

3. 后端/代碼生成器處理的則是優(yōu)化器傳來的IR，也是只需要針對IR做處理，不需要管前端到底是什么類型的源語言。

優(yōu)勢 :

• 如果前端出現(xiàn)了新的源語言類型，LLVM只需要針對新語言適配一個(gè)IR轉(zhuǎn)換器即可，優(yōu)化器和后端都不需要進(jìn)行大的改變，甚至不用改變。

• 如果后端出現(xiàn)了新的硬件架構(gòu)，LLVM只需要針對新的硬件架構(gòu)適配一個(gè)IR轉(zhuǎn)換器即可，優(yōu)化器和前端則不需要進(jìn)行大的改變，甚至不用改變。

三、關(guān)于Clang

1. 什么是Clang

內(nèi)容引自Clang官網(wǎng)，個(gè)人翻譯，如有不準(zhǔn)確的地方，還請不吝賜教。

Clang是LLVM原生的針對C、C++、Objective-C的編譯器。

它的存在是為了提供一個(gè)平臺，Clang做到了 :

• 非常快的編譯速度
• 非常有用的error信息和warning警告
• 可以構(gòu)建非常優(yōu)秀的源代碼

Clang Static Analyzer和Clang -tidy都是可以自動(dòng)發(fā)現(xiàn)你代碼里bug的工具。它們都是Clang工具中很好的例子，它們可以將Clang編譯器前端作為一個(gè)庫去解析C/C++的代碼。

2. Clang的概述

總的來說，Clang是LLVM的子項(xiàng)目，它是基于LLVM架構(gòu)的輕量級編譯器，誕生之初是為了替代GCC，因?yàn)?code>GCC是傳統(tǒng)型的編譯器，雖然非常好用，但是GCC的源碼太長了，又晦澀難懂，而且編譯速度還可提升。于是基于LLVM架構(gòu)的Clang就逐步的擴(kuò)大了影響力。

3. 一些LLVM或Clang中的名詞解釋

3.1 詞法分析

詞法分析是計(jì)算機(jī)科學(xué)中將字符序列轉(zhuǎn)換為單詞序列的過程。

詞法分析是整個(gè)編譯流程的第一個(gè)階段，是編譯的基礎(chǔ)。詞法分析要做的是從左到右一個(gè)字符一個(gè)字符的讀入源程序，對構(gòu)成源程序的字符進(jìn)行掃描，然后根據(jù)構(gòu)詞規(guī)則識別單詞(也稱單詞符號或符號，英文叫做Token)。

所謂單詞就是一個(gè)字符串，是構(gòu)成源代碼的最小單位。

詞法分析一般都是經(jīng)過詞法分析的程序或者專門的函數(shù)來完成的，這種程序或者函數(shù)叫做詞法分析器，也叫掃描器(Scanner)。

3.2 語法分析

語法分析是整個(gè)編譯流程中的一個(gè)邏輯階段。語法分析的任務(wù)是在詞法分析的基礎(chǔ)上，將單詞序列的組合成各種語法短語，如程序、語句、表達(dá)式等。

語法分析是判斷源程序在語法的結(jié)構(gòu)上是否正確。它和詞法分析分別像英語中的語法和單詞，詞法分析標(biāo)明了單詞的含義，語法分析則判斷單詞組合成的語句是否符合語法規(guī)則。

3.3 語義分析

語義分析也是整個(gè)編譯流程中的一個(gè)邏輯階段。語義分析的任務(wù)是對結(jié)構(gòu)上正確的源程序的上下文進(jìn)行有關(guān)性質(zhì)的檢查和類型檢查。

語義分析是檢查源程序有無語義錯(cuò)誤，為代碼生成階段收集類型信息。

語義分析檢查的是源程序是否符合規(guī)定的語言規(guī)范。

語義分析是編譯程序最實(shí)質(zhì)性的工作，它是第一次對源代碼做出解釋的階段，引起源程序的實(shí)質(zhì)變化。

語義和語法的區(qū)別，我舉個(gè)例子，方便大家理解。比如 : 我學(xué)習(xí)編程和編程學(xué)習(xí)我。兩者的語法都是沒有問題的，符合語法的規(guī)范——主謂賓。但是后者并不符合語義規(guī)范，后者的語言意義是一種空泛的表達(dá)。

3.4 抽象語法樹

這是源代碼的語法結(jié)構(gòu)的一種抽象表示。所謂抽象語法，是指不會表示出所有細(xì)節(jié)的語法。

4. iOS中可能遇到的Clang常用指令

這里只說一些iOS中可能常用的Clang指令，如果想要全部的Clang指令集，可以在terminal終端中輸入clang --help查看。

如果認(rèn)為上面的命令查看不方便的，這里還有github版本，內(nèi)容就是copy的clang --help。

或者可以直接在LLVM官網(wǎng)的Clang Document查詢。