讓你理解什麼是LLVM

什麼是LLVM

LLVM項目是模塊化、可重用的編譯器以及工具鏈技術的集合。

美國計算機協會 (ACM) 將其2012 年軟件系統獎項頒給了LLVM，以前曾經得到此獎項的軟件和技術包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等
創始人:Chris Lattner，亦是Swift之父

備註：有些文章把LLVM當作Low Level Virtual Machine(低級虛擬機)的縮寫簡稱，官方描述以下
The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project. 「LLVM」這個名稱自己不是首字母縮略詞; 它是項目的全名。

傳統的編譯器架構

 

傳統編譯器架構

• Frontend:前端
  詞法分析、語法分析、語義分析、生成中間代碼
• Optimizer:優化器
  中間代碼優化
• Backend:後端
  生成機器碼

LLVM架構

 

LLVM架構

• 不一樣的前端後端使用統一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
• 若是須要支持一種新的編程語言，那麼只須要實現一個新的前端
• 若是須要支持一種新的硬件設備，那麼只須要實現一個新的後端
• 優化階段是一個通用的階段，它針對的是統一的LLVM IR，不管是支持新的編程語言，仍是支持新的硬件設備，都不須要對優化階段作修改
• 相比之下，GCC的前端和後端沒分得太開，前端後端耦合在了一塊兒。因此GCC爲了支持一門新的語言，或者爲了支持一個新的目標平臺，就 變得特別困難
• LLVM如今被做爲實現各類靜態和運行時編譯語言的通用基礎結構(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

什麼是Clang

LLVM項目的一個子項目，基於LLVM架構的C/C++/Objective-C編譯器前端。

相比於GCC，Clang具備以下優勢

• 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)
• 佔用內存小:Clang生成的AST所佔用的內存是GCC的五分之一左右
• 模塊化設計:Clang採用基於庫的模塊化設計，易於 IDE 集成及其餘用途的重用
• 診斷信息可讀性強:在編譯過程當中，Clang 建立並保留了大量詳細的元數據 (metadata)，有利於調試和錯誤報告
• 設計清晰簡單，容易理解，易於擴展加強

Clang與LLVM關係

 

Clang與LLVM

LLVM總體架構，前端用的是clang，廣義的LLVM是指整個LLVM架構，通常狹義的LLVM指的是LLVM後端（包含代碼優化和目標代碼生成）。

源代碼（c/c++）通過clang--> 中間代碼(通過一系列的優化，優化用的是Pass) --> 機器碼

OC源文件的編譯過程

這裏用Xcode建立一個Test項目，而後cd到main.m的上一路徑。
命令行查看編譯的過程:$ clang -ccc-print-phases main.m

$ clang -ccc-print-phases main.m 

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 

0.找到main.m文件
1.預處理器，處理include、import、宏定義
2.編譯器編譯，編譯成ir中間代碼
3.後端，生成目標代碼
4.彙編
5.連接其餘動態庫靜態庫
6.編譯成適合某個架構的代碼

查看preprocessor(預處理)的結果:$ clang -E main.m
這個命令敲出，終端就會打印許多信息，大體以下：

# 1 "main.m" # 1 "<built-in>" 1 # 1 "<built-in>" 3 # 353 "<built-in>" 3 # 1 "<command line>" 1 # 1 "<built-in>" 2 # 1 "main.m" 2 . . . int main(int argc, const char * argv[]) { @autoreleasepool { NSLog(@"Hello, World!"); } return 0; } 

詞法分析

詞法分析，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
將代碼分紅一個個小單元（token）

舉例以下：

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

void 'void' [StartOfLine] Loc=<main.m:18:1> identifier 'test' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:6> l_paren '(' Loc=<main.m:18:10> int 'int' Loc=<main.m:18:11> identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:15> comma ',' Loc=<main.m:18:16> int 'int' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:18> identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:22> r_paren ')' Loc=<main.m:18:23> l_brace '{' Loc=<main.m:18:24> int 'int' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:5> identifier 'c' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:9> equal '=' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:11> identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:13> plus '+' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:15> identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:17> minus '-' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:19> numeric_constant '3' [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:21> semi ';' Loc=<main.m:19:22> r_brace '}' [StartOfLine] Loc=<main.m:20:1> eof '' Loc=<main.m:20:2> 

能夠看出，詞法分析的時候，將上面的代碼拆分一個個token，後面數字表示某一行的第幾個字符，例如第一個void，表示第18行第一個字符。

語法樹-AST

語法分析，生成語法樹(AST，Abstract Syntax Tree): $ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
經過語法樹，咱們能知道這個代碼是作什麼的。

仍是剛剛的test函數
生成語法樹以下：

|-FunctionDecl 0x7fa1439f5630 <line:18:1, line:20:1> line:18:6 test 'void (int, int)' | |-ParmVarDecl 0x7fa1439f54b0 <col:11, col:15> col:15 used a 'int' | |-ParmVarDecl 0x7fa1439f5528 <col:18, col:22> col:22 used b 'int' | `-CompoundStmt 0x7fa142167c88 <col:24, line:20:1> | `-DeclStmt 0x7fa142167c70 <line:19:5, col:22> | `-VarDecl 0x7fa1439f5708 <col:5, col:21> col:9 c 'int' cinit | `-BinaryOperator 0x7fa142167c48 <col:13, col:21> 'int' '-' | |-BinaryOperator 0x7fa142167c00 <col:13, col:17> 'int' '+' | | |-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57b8 <col:13> 'int' <LValueToRValue> | | | `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5768 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f54b0 'a' 'int' | | `-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57d0 <col:17> 'int' <LValueToRValue> | | `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5790 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f5528 'b' 'int' | `-IntegerLiteral 0x7fa142167c28 <col:21> 'int' 3 `-<undeserialized declarations> 

在終端敲出的時候，終端很直觀的幫咱們用顏色區分。咱們能夠用圖形顯示以下：

 

test函數的語法樹

LLVM IR

LLVM IR有3種表示形式（本質是等價的）

• text:便於閱讀的文本格式，相似於彙編語言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m
• memory:內存格式
• bitcode:二進制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

咱們以text形式編譯查看：

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define void @test(i32, i32) #2 { %3 = alloca i32, align 4 %4 = alloca i32, align 4 %5 = alloca i32, align 4 store i32 %0, i32* %3, align 4 store i32 %1, i32* %4, align 4 %6 = load i32, i32* %3, align 4 %7 = load i32, i32* %4, align 4 %8 = add nsw i32 %6, %7 %9 = sub nsw i32 %8, 3 store i32 %9, i32* %5, align 4 ret void } 

IR基本語法
註釋以分號 ; 開頭
全局標識符以@開頭，局部標識符以%開頭
alloca，在當前函數棧幀中分配內存
i32，32bit，4個字節的意思
align，內存對齊
store，寫入數據
load，讀取數據
官方語法參考 https://llvm.org/docs/LangRef.html

應用與實踐

咱們的開發都是基於源碼開發，因此咱們首先要進行源碼下載和編譯。
源碼下載

下載LLVM
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/ 下載clang $ cd llvm/tools $ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/ 備註：clang是llvm的子項目，可是它們的源碼是分開的，咱們須要將clang放在llvm/tools目錄下。 

源碼編譯
這裏咱們在終端敲出的clang是xcode默認內置clang編譯器，咱們本身要進行LLVM開發的話，須要編譯屬於咱們本身的clang編譯器

首先安裝cmake和ninja(先安裝brew，https://brew.sh/) $ brew install cmake $ brew install ninja ninja若是安裝失敗，能夠直接從github獲取release版放入【/usr/local/bin】中 https://github.com/ninja-build/ninja/releases 在LLVM源碼同級目錄下新建一個【llvm_build】目錄(最終會在【llvm_build】目錄下生成【build.ninja】 $ cd llvm_build $ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安裝路徑 備註：生成build.ninja，就表示編譯成功，-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示編譯好的東西放在指定的路徑，-D表示參數。 更多cmake相關選項，能夠參考: https://llvm.org/docs/CMake.html 

接下來依次執行編譯、安裝指令

$ ninja
編譯完畢後， 【llvm_build】目錄大概 21.05 G（這個真的是好大啊） $ ninja install 

而後到這裏咱們的編譯就完成了。

另外一種方式是經過Xcode編譯，生成Xcode項目再進行編譯，可是速度很慢(可能須要1個多小時)。

方法以下：
 在llvm同級目錄下新建一個【llvm_xcode】目錄
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode ../llvm

應用與實踐的參考

• libclang、libTooling
  官方參考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
  應用:語法樹分析、語言轉換等

• Clang插件開發
  官方參考
  一、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
  二、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
  三、https://clang.llvm.org/docs/RAVFrontendAction.html
  應用:代碼檢查(命名規範、代碼規範)等

• Pass開發
  官方參考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html
  應用:代碼優化、代碼混淆等

• 開發新的編程語言
  一、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
  二、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/

做者：Coffee_LaFa 連接：https://www.jianshu.com/p/1367dad95445 來源：簡書 簡書著做權歸做者全部，任何形式的轉載都請聯繫做者得到受權並註明出處。