一、 概述

LLVM是架構(gòu)編譯器的框架系統(tǒng)，由C++編寫而成。由于優(yōu)化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間（complie-time）、鏈接時間（link-time）、運行時間（run-time）以及空閑時間（idle-time）。對開發(fā)者保持開放，并兼容已有的腳本。

二、LLVM設(shè)計結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的LLVM設(shè)計結(jié)構(gòu)如下：

編譯器架構(gòu).png

分為 源碼、前端、優(yōu)化器、后端、以及機器識別語言等幾部分。

2.1 前端編譯器(Frontend)

前端編譯器的任務(wù)是解析源代碼。它會進行相應(yīng)的：詞法分析、語法分析、語義分析。檢查源代碼是否存在語法錯誤，然后構(gòu)建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree,AST),LLVM的前端編譯器還會生成中間代碼((intermediate representation,IR).

2.2 優(yōu)化器(optimizer)

優(yōu)化器負責(zé)進行各種優(yōu)化，改善代碼的運行時間。例如消除冗余計算等。

2.3后端(backend)

將代碼映射帶目標(biāo)指令集，生成機器語言，并且進行機器相關(guān)的代碼優(yōu)化。

2.4 iOS的編譯架構(gòu)

Objective C、C、C++使用的編譯器前端是clang,Swift 的編譯器前端是swift，后端都是LLVM.

設(shè)計.png

2.5 LLVM的設(shè)計

當(dāng)編譯器決定支持多種語言或多種硬件架構(gòu)時，LLVM的最重要的時刻就來了。其他的編譯器如GCC,它方法非誠成功，但是由于它是作為整體程序設(shè)計的，因此它的用途受到了很大的限制。
LLVM設(shè)計最重要的地方是、使用通過代碼形式(IR)、是用來在編譯器中表示代碼的形式。所以LLVM可以為任何編程語言獨立編寫前端，并且可以為任意硬件架構(gòu)獨立編寫后端。

圖片.png

2.6 Clang

clang是LLVM的項目中的一個子項目，它是基于LLVM架構(gòu)的輕量級編譯器，誕生之初是為咯替換GCC,提供更快的編譯速度，它屬于LLVM的前端編譯器。

三，LLVM的編譯過程

3.1 LLVM的編譯步驟

現(xiàn)在我們新建一個空項目，創(chuàng)建一個命令行的項目，然后寫一些相關(guān)的代碼

#import <stdio.h>

#define C  30
int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    int a = 10;
    int b = 20;
    printf("%d \n",a + b + C);
    
    return 0;
}

然后我們在該工程的目錄下創(chuàng)建終端命令：

然后我們看看LLVM進行編譯的過程中要執(zhí)行的相關(guān)步驟命令

clang -ccc-print-phases main.m

執(zhí)行結(jié)果如下：

0: input, "main.m", objective-c
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
2: compiler, {1}, ir
3: backend, {2}, assembler
4: assembler, {3}, object
5: linker, {4}, image
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

• step1 :輸入文件，找到源文件
• stem2:預(yù)處理階段，這個過程包括宏定義的替換，頭文件的導(dǎo)入和展開。
• step3:編譯階段，進行詞法分析、語法分析、檢測語法是否正確生成IR.
• step4:后端，這里L(fēng)LVM會通過一個一個的Pass去優(yōu)化，每個Pass做一些事情，最終生成匯編代碼。
• step5 生成目標(biāo)文件，
• step6 鏈接，鏈接需要的動態(tài)庫和靜態(tài)庫，生成可執(zhí)行文件。
• step7 通過不同的架構(gòu)，生成對應(yīng)的可執(zhí)行文件

3.2 預(yù)處理階段(preprocessor)

我們執(zhí)行以下命令

clang -E main.m -o main2.m

我們會看到和main文件同級目錄下多了一個main2.m的文件，我們打開改文件會發(fā)現(xiàn)和之前的main有所不一樣了，不一樣之處如下圖

預(yù)編譯.png

我們看到預(yù)編譯階段，文件的行數(shù)變得多了很多，所以并且之處的宏定義C已經(jīng)替換為30。這就是預(yù)編譯過程的事情，

3.3 詞法分析

預(yù)處理階段過后就會進行詞法分析，這里會把每個代碼切成一個一個的token,這里我們只需要執(zhí)行以下命令

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

這樣 在終端就會生成一行一行的代碼

token.png

這樣，我們程序就被切成一個一個的token 包括空格和標(biāo)點符號，以及具體對應(yīng)的代碼位置都被token標(biāo)注的清清楚楚。

3.4 生成語法樹

由上一步生成的語法樹，我們只需要執(zhí)行命令

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

語法樹的生成如下

語法樹.png

3.6 生成中間代碼

對于以上生成中間的代碼。我們需要執(zhí)行命令

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

執(zhí)行完成過后我們能看到和main.m文件同級的目錄中多了的main.ll的文件，這就是IR的格式文件
我們用WebStorm打開改文件如圖

圖片.png

相關(guān)的關(guān)鍵之解析

@:全局標(biāo)識
% 局部標(biāo)識
alloca 開辟內(nèi)存空間
align 字節(jié)對齊
store 寫入內(nèi)存load 肚內(nèi)存
call 調(diào)用函數(shù)
ret 返回值
i32 int 4個字節(jié)

3.7 IR的優(yōu)化方式

LLVM的優(yōu)化級別分別是-O0、-O1、-O2、-O3、-Os（第一個字母必須大寫）
執(zhí)行命令

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

3.8 bitCode

通過編譯生成的中間代碼生成bitCode執(zhí)行指令

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

3.9 生成匯編代碼

通過生成的bitCode 或者中間代碼生成匯編代碼如下

clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

生成的匯編代碼也可以進行優(yōu)化

clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

3.10 生成目標(biāo)文件

生成目標(biāo)文件的執(zhí)行指令

clang -fmodules -c main.s -o main.o

通過nm指令，查看main.o文件

$xcrun nm -nm main.o

3.11 生成可執(zhí)行文件(鏈接)

命令如下

clang main.o -o main

再次可以通過nm命令查看，可以看到完全不一樣的結(jié)果。

四、總結(jié)

以上就是對LLVM的初探的整個過程，雖然有些內(nèi)容自己還沒去驗證，但是大致流程就這樣，這也是先記錄然后自我學(xué)習(xí)的一個過程，希望在每天的學(xué)習(xí)過程中進步一點點吧，有什么不足的地方還請多多指正。覺得有用的就借鑒一下，如果覺得沒用的請越過。