LLVM編譯流程

• LLVM概述

  LLVM是構架編譯器(compiler)的框架系統，以C++編寫而成，用於優化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(compile-time)、連接時間(link-time)、運行時間(run-time) 以及空閒時間(idle-time),對開發者保持開放，併兼容已有腳本。

• 傳統編譯器設計

  
  編譯器不一樣於解釋器，解釋器能夠將高級語言邊轉譯邊執行。可是編譯器須要將全部的源代碼編譯成機器代碼以後，而後才能執行，因此如圖無論傳統的仍是LLVM都必定是源代碼輸入，輸出是機器代碼（也就是0101組合），中間還分前端、優化器、後端

  • 編譯器前端（Frontend）

    編譯器前端的任務是解析源代碼。它會進行：詞法分析，語法分析，語義分析, 檢查源代碼是否存在錯誤，而後構建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree,AST) ,LLVM的前端還會生成中間代碼(intermediate representation , IR)。

  • 優化器（Optimizer）

    優化器負責進行各類優化。改善代碼的運行時間，例如消除冗餘計算等。

  • 後端(Backend) /代碼生成器(CodeGenerator)

    將代碼映射到目標指令集。生成機器語言，而且進行機器相關的代碼優化

  • iOS的編譯器架構

  Objective C/C/C++使用的編譯器前端是Clang, Swift是Swift，後端都是LLVM。

• LLVM的設計

  
  當編譯器決定支持多種源語言或多種硬件架構時，LLVM最重要的地方就來了。 其餘的編譯器如GCC,它方法很是成功，但因爲它是做爲總體應用程序設計的, 所以它們的用途受到了很大的限制。
  LLVM設計的最重要方面是，使用通用的代碼表示形式（IR），它是用來在編譯器中標識代碼的形式（其實就是一種中間代碼）。因此LLVM能夠爲任何變成語言獨立編寫前端，而且能夠爲任意硬件架構獨立編寫後端。

• Clang

  Clang是LLVM項目中的一個子項目。它是基於LLVM架構的輕量級編譯器，誕生之初是爲了替代GCC,提供更快的編譯速度。它是負責編譯C、C++、Objecte-C語言的編譯器，它屬於整個LLVM架構中的，編譯器前端。

• 編譯流程

  首先簡單寫一個demo以下：

  #import <stdio.h>
   //#define C 30
  
   //typedef int TD_INT_64;
  
   int test(int a,int b){
       return a + b + 3;
   }
  
   int main(int argc, const char * argv[]) {
       int a = test(1, 2);
       printf("%d",a);
       return 0;
   }
  複製代碼

  • 經過命令打印查看源碼的編譯階段

    命令：clang -ccc-print-phases main.m 能夠發現主要分6個步驟
    • 0：輸入文件：找到源文件。
    • 1：預處理階段：這個過程處理包括宏的替換，頭文件的導入。
    • 2：編譯階段：進行詞法分析、語法分析、檢測語法是否正確，最終生成IR。
    • 3：後端：這裏LLVM會經過一個一個的Pass去優化，每一個Pass作一些事情，最終生成彙編代碼。
    • 4：生成目標文件。
    • 5：連接：連接須要的動態庫和靜態庫，生成可執行文件。
    • 6：經過不一樣的架構，生成對應的可執行文件。

  • 預處理階段

    命令：clang -E main.m
    宏在預處理階段會被替換掉，typedef不會被替換掉，因此通常爲了安全可使用，作代碼混淆

  • 編譯階段

    • 詞法分析

      預處理完成後就會進行詞法分析.這裏會把代碼切成一個個Token,好比大小括 號，等於號還有字符串等
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m 注：若是頭文件找不到能夠指定sdk
      clang -isysroot （本身SDK路徑） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

    • 語法分析

      詞法分析完成以後就是語法分析，它的任務是驗證語法是否正確。在詞法分析的基礎上將單詞序列組合成各種語法短語，如「程序」，「語句」，「表達式」等等，而後將全部節點組成抽象語法樹(Abstract Syntax Tree, AST)。語法分析程序判斷源程序在結構上是否正確。
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
      • FunctionDecl 函數
      • ParmVarDecl 參數
      • CallExpr 調用一個函數
      • BinaryOperator 運算符

    • 生成中間代碼IR

      完成以上步驟後就開始生成中間代碼IR了，代碼生成器(Code Generation)會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR。經過下面命令能夠生成.11的文本文件，查看IR代碼。
      命令：clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
Objective C代碼在這一步會進行runtime的橋接：property合成，ARC處理等
      IR的基本語法：
      • @ 全局標識
      • % 局部標識
      • alloca 開闢空間
      • align 內存對齊
      • i32 32個bit, 4個字節
      • store 寫入內存
      • load 讀取數據
      • call 調用函數
      • ret 返回
      IR優化：
      LLVM的優化級別分別是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一個是大寫英文字母O)
      優化命令：clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll 通常設置是在target - Build Setting - Optimization Level（優化器等級）中設置 Debug狀況下默認是不優化，Release狀況下默認Fastest、Smallest
      優化後的代碼：

    • bitCode

      xcode7之後開啓bitcode蘋果會作進一步的優化。生成.be的中間代碼。 咱們經過優化後的IR代碼生成.be代碼
      命令：clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

    • 生成彙編代碼

      最終經過.be或者.ll代碼生成彙編代碼
      命令：
      clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
      固然生成的彙編代碼也能夠進行優化（注意若是生成IR代碼已經作過優化了此時在優化不會再起做用）
      命令：clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

    • 生成目標文件（彙編器）

      目標文件的生成，是彙編器以彙編代碼做爲輸入，將彙編代碼轉換爲機器代碼, 最後輸出目標文件(object file)
      命令： clang -fmodules -c main.s -o main.o 能夠發現是個Mach-O文件
      經過nm命令，查看下main.o中的符號
      命令： xcrun nm -nm main.o 發現找不到_printf這個方法，應爲_printf是從外部的庫引入

    • 生成可執行文件（連接）

      鏈接器把編譯產生的.o文件和(.dylib .a)文件，生成一個mach-o文件。
      命令：clang main.o -o main 發現此時是一個可執行的Mach-O文件
      再查看連接以後的符號
      應爲OC的特性運行時，動態庫實在運行時須要使用的時候再加載到內存的，因此編一階段找不到對應的方法

• LLVM編譯流程圖