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什么是LLVM

LLVM項(xiàng)目是模塊化、可重用的編譯器以及工具鏈技術(shù)的集合
The LLVM Project is a collection of modular and reusable compiler and toolchain technologies.
官網(wǎng):https://llvm.org/
美國計(jì)算機(jī)協(xié)會 (ACM) 將其2012 年軟件系統(tǒng)獎項(xiàng)頒給了LLVM，之前曾經(jīng)獲得此獎項(xiàng)的軟件和技術(shù)包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等
有些文章把LLVM當(dāng)做Low Level Virtual Machine(低級虛擬機(jī))的縮寫簡稱，官方描述如下
The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project.
“LLVM”這個名稱本身不是首字母縮略詞; 它是項(xiàng)目的全名

傳統(tǒng)的編譯器架構(gòu)

image.png

Frontend:前端
詞法分析、語法分析、語義分析、生成中間代碼
Optimizer:優(yōu)化器
中間代碼優(yōu)化
Backend:后端
生成機(jī)器碼

LLVM架構(gòu)

image.png

不同的前端后端使用統(tǒng)一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
如果需要支持一種新的編程語言，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個新的前端
如果需要支持一種新的硬件設(shè)備，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個新的后端
優(yōu)化階段是一個通用的階段，它針對的是統(tǒng)一的LLVM IR，不論是支持新的編程語言，還是支持新的硬件設(shè)備，都不需要對優(yōu)化階段做修改
相比之下，GCC的前端和后端沒分得太開，前端后端耦合在了一起。所以GCC為了支持一門新的語言，或者為了支持一個新的目標(biāo)平臺，就變得特別困難
LLVM現(xiàn)在被作為實(shí)現(xiàn)各種靜態(tài)和運(yùn)行時編譯語言的通用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

什么是Clang?

LLVM項(xiàng)目的一個子項(xiàng)目
基于LLVM架構(gòu)的C/C++/Objective-C編譯器前端
官網(wǎng):http://clang.llvm.org/
相比于GCC，Clang具有如下優(yōu)點(diǎn)
編譯速度快:在某些平臺上，Clang的編譯速度顯著的快過GCC(Debug模式下編譯OC速度比GGC快3倍)
占用內(nèi)存小:Clang生成的AST所占用的內(nèi)存是GCC的五分之一左右
模塊化設(shè)計(jì):Clang采用基于庫的模塊化設(shè)計(jì)，易于 IDE 集成及其他用途的重用
診斷信息可讀性強(qiáng):在編譯過程中，Clang 創(chuàng)建并保留了大量詳細(xì)的元數(shù)據(jù) (metadata)，有利于調(diào)試和錯誤報告
設(shè)計(jì)清晰簡單，容易理解，易于擴(kuò)展增強(qiáng)

image.png
廣義的LLVM
整個LLVM架構(gòu)
狹義的LLVM
LLVM后端(代碼優(yōu)化、目標(biāo)代碼生成等)

image.png

clang 前端
IR 代表代碼層
Pass代表優(yōu)化

OC源文件的編譯過程

一.編譯

命令行查看編譯的過程:$ clang -ccc-print-phases main.m
下面我們來分析代碼

#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
    @autoreleasepool {
        // insert code here...
        NSLog(@"Hello, World!");
    }
    return 0;
}

//編譯之后的代碼
0: input, "main.m", objective-c   //聲明 
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output // //預(yù)處理
2: compiler, {1}, ir //編譯生成IR(中間代碼)
3: backend, {2}, assembler //匯編器生成匯編代碼
4: assembler, {3}, object  //目標(biāo)代碼生成機(jī)器碼
5: linker, {4}, image  // 靜態(tài)庫,動態(tài)庫鏈接
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image //可執(zhí)行文件

編譯器前端的工作

編譯器前端的任務(wù)是進(jìn)行：語法分析，語義分析，生成中間代碼(intermediate representation )。在這個過程中，會進(jìn)行類型檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯誤或者警告會標(biāo)注出來在哪一行。

二.preprocessor(預(yù)處理)

#import <Foundation/Foundation.h>
#define AGE 40
int main(int argc, const char * argv[]) {
     int a = 10;
     int b = 10;
     int c = a + b + AGE;
    return 0;
}

preprocessor 預(yù)處理的結(jié)果

int main(int argc, const char * argv[]) {
     int a = 10;
     int b = 10;
     int c = a + b + 40;
    return 0;
}
//預(yù)處理就已經(jīng)把宏替換了

查看preprocessor(預(yù)處理)的結(jié)果:$ clang -E main.m

三.詞法分析

詞法分析，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m

 clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>

#define AGE 40

int main(int argc, const char * argv[]) {
    
    int a = 10;
    int b = 10;
    in'     Loc=<main.m:9:1> //第9行的第1個字符
int 'int'    [StartOfLine]  Loc=<main.m:13:1> //第13行的第一個1字符
identifier 'main'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:5>
l_paren '('     Loc=<main.m:13:9>
int 'int'       Loc=<main.m:13:10>
identifier 'argc'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:14>
comma ','       Loc=<main.m:13:18>
const 'const'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:20>
char 'char'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:26>
star '*'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:31>
identifier 'argv'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:33>
l_square '['        Loc=<main.m:13:37>
r_square ']'        Loc=<main.m:13:38>
r_paren ')'     Loc=<main.m:13:39>
l_brace '{'  [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:41>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:15:5>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:9>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:11>
numeric_constant '10'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:13>
semi ';'        Loc=<main.m:15:15>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:16:5>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:9>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:11>
numeric_constant '10'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:13>
semi ';'        Loc=<main.m:16:15>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:17:5>
identifier 'c'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:9>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:11>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:13>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:15>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:17>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:19>
numeric_constant '40'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:21 <Spelling=main.m:11:13>>
semi ';'        Loc=<main.m:17:24>
return 'return'  [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:18:5>
numeric_constant '0'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:12>
semi ';'        Loc=<main.m:18:13>
r_brace '}'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:20:1>
eof ''      Loc=<main.m:20:2>

將代碼分成一段一段的token

五.語法樹-AST

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

//源代碼
void test(int a, int b){
    int c = a + b -3;
}

//轉(zhuǎn)換為語法樹之后
-FunctionDecl 0x7fa7f0184300 <line:22:1, line:24:1> line:22:6 test 'void (int, int)' //
| |-ParmVarDecl 0x7fa7f0184180 <col:11, col:15> col:15 used a 'int'
| |-ParmVarDecl 0x7fa7f01841f8 <col:18, col:22> col:22 used b 'int'
| `-CompoundStmt 0x7fa7f0184540 <col:24, line:24:1>
|   `-DeclStmt 0x7fa7f0184528 <line:23:5, col:21>
|     `-VarDecl 0x7fa7f01843d8 <col:5, col:20> col:9 c 'int' cinit
|       `-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'
|         |-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'
|         | |-ImplicitCastExpr 0x7fa7f0184488 <col:13> 'int' <LValueToRValue>
|         | | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'
|         | `-ImplicitCastExpr 0x7fa7f01844a0 <col:17> 'int' <LValueToRValue>
|         |   `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'
|         `-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3

FunctionDecl下有三個節(jié)點(diǎn) ParmVarDecl, ParmVarDecl, CompoundStmt
FunctionDecl test函數(shù)
ParmVarDecl 參數(shù)a
ParmVarDecl 參數(shù)b
CompoundStmt 語句(也就是具體的代碼)
VarDecl 符合的聲明

  `-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'
|         |-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'
|         | |-ImplicitCastExpr 0x7fa7f0184488 <col:13> 'int' <LValueToRValue>
|         | | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'
|         | `-ImplicitCastExpr 0x7fa7f01844a0 <col:17> 'int' <LValueToRValue>
|         |   `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'
|         `-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3

單獨(dú)分析一下這段代碼

//-  13-20里面裝著 - 號
-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'

//減號前面是3
`-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3

//13-17里面是+
|-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'

//13 是a
`-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'

//17是b
`-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'

整合一起就是a+b-3

image.png

前端代碼已經(jīng)完成(就會生成中間代碼IR)

中間代碼IR

LLVM IR

LLVM IR有3種表示形式(但本質(zhì)是等價的，就好比水可以有氣體、液體、固體3種形態(tài))
text:便于閱讀的文本格式，類似于匯編語言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m
memory:內(nèi)存格式
bitcode:二進(jìn)制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define void @test(i32, i32) #0 { //(int a, int b)
  %3 = alloca i32, align 4 // int a
  %4 = alloca i32, align 4 // int d
  %5 = alloca i32, align 4 // int e
  store i32 %0, i32* %3, align 4 // c = a
  store i32 %1, i32* %4, align 4 // d = b
  %6 = load i32, i32* %3, align 4 //a
  %7 = load i32, i32* %4, align 4 //b
  %8 = add nsw i32 %6, %7  // a+b
  %9 = sub nsw i32 %8, 3    //a+b -3
  store i32 %9, i32* %5, align 4  //e = a+b-3  
  ret void
}
}

IR基本語法

官方參考文檔 https://llvm.org/docs/LangRef.html
注釋以分號 ; 開頭
全局標(biāo)識符以@開頭，局部標(biāo)識符以%開頭
alloca，在當(dāng)前函數(shù)棧幀中分配內(nèi)存
i32，32bit，4個字節(jié)的意思
align，內(nèi)存對齊
store，寫入數(shù)據(jù)
load，讀取數(shù)據(jù)
add, 相加
sub, 減
每一步分析我都寫在注釋上了

LLVM源碼下載

git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/

未完待續(xù)......

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LLVM架構(gòu)-編譯原理

LLVM架構(gòu)-編譯原理

什么是LLVM

傳統(tǒng)的編譯器架構(gòu)

LLVM架構(gòu)

什么是Clang?

OC源文件的編譯過程

一.編譯

二.preprocessor(預(yù)處理)

三.詞法分析

五.語法樹-AST

中間代碼IR

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LLVM架構(gòu)-編譯原理

什么是LLVM

傳統(tǒng)的編譯器架構(gòu)

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OC源文件的編譯過程

一.編譯

二.preprocessor(預(yù)處理)

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