iOS LLVM及編譯過程

LLVM概述

• LLVM 是以 C++ 編寫的架構編譯器（compiler）的框架系統
• 從如下方面優化任意語言編寫的的程序
  • 編譯時間 compile time
  • 連接時間 link time
  • 運行時間 run time
  • 空閒時間 idle time

傳統編譯器設計

編譯器前端 Frontend

編譯器前端的任務是 解析源代碼

• 檢查代碼正確性
  • 詞法分析
  • 語法分析
  • 語義分析
• 構建抽象語法樹
• LLVM的前端還會生成 中間代碼（intermediate representation，IR）

優化器 Optimizer

優化器端的任務是改善代碼的運行時間，例如消除冗餘運算等。

編譯器後端 Backend / 代碼生成器CodeGenerator

• 將代碼映射到目標指令集
• 生成機器語言
• 機器相關的代碼優化

iOS的編譯器架構

OC、c、c++ 使用的編譯器前端是clang；Swift使用的是Swift；後端都是LLVM。

LLVM的設計

傳統的編譯器設計把前端、優化器、後端集成在一塊兒，須要支持新語言或新硬件結構時就必須從新開發一套編譯器。LLVM的設計模式很好的解決了這種不便。

• LLVM的編譯器前端會生成通用的中間代碼（intermediate respresentation IR）
• 優化器對中間代碼處理不須要改變
• 須要支持新語言時只須要單獨開發前端
• 須要支持新架構時只須要單獨編寫後端

Clang

• LLVM中的一個子項目
• 基於LLVM的輕量級編譯器
• 替代GCC，提供更快的編譯速度
• 負責編譯OC、C、C++
• LLVM架構的編譯器前端

編譯流程

打印編譯流程

clang -ccc-print-phases main.m 
複製代碼

• 0、輸入文件：找到源文件
• 一、預處理：包括替換宏和導入頭文件
• 二、編譯階段：詞法分析、語法分析、語義分析，最終生成IR
• 三、後端：經過一個個Pass去優化，每一個Pass完成一部分功能，最終生成彙編代碼
• 四、生成目標文件
• 五、連接：連接須要的動態庫和靜態庫，生成目標文件
• 六、經過不一樣架構，生成對應的可執行文件

預處理

clang -E main.m
複製代碼

執行後能夠看到頭文件導入以及宏被替換。

詞法分析

預處理後會進行詞法分析，詞法分析會把代碼切片成一個個token。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
複製代碼

執行後能夠看到每一個詞(token)所在的位置

語法分析

語法分析會驗證語法是否正確，在詞法分析的基礎上把單詞組合成各類語法短語，而後把節點組成抽象的語法樹（Abstract Syntax Tree，AST）

clang -fmodules	-fsyntax-only -Xclang -ast-dump	main.m
複製代碼

若是找不到頭文件，能夠手動導入SDK

clang -isysroot SDK路徑 -fmodules -fsyntax-only	-Xclang	-ast-dump main.m
複製代碼

生成中間代碼IR（intermediate representation）

處理完上述步驟，代碼生成器(Core Generator)會根據語法樹自頂向下生成LLVM IR。OC會在這裏進行runtime的橋接：property的合成、ARC處理等。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
複製代碼

LLVM的優化級別有 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
複製代碼

執行指令能夠獲得.ll文件

• IR基本語法

@       全局標示
%       局部標示
alloca  開闢空間
align   字節對齊
i32     32位，4字節
store   寫入內存
load    讀取數據
call    調用函數
ret     return
複製代碼

查看未優化的main.ll

優化後的main.ll

bitCode

xcode7之後開啓了bitCode，蘋果對代碼作了進一步優化並生成.bc文件。經過.ll文件生成.bc文件。

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
複製代碼

生成彙編代碼

能夠經過.bc或.ll文件生成彙編代碼

clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
複製代碼

生成彙編代碼的時候也能夠進行優化

clang -Os -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
複製代碼

生成目標文件

輸入彙編代碼，轉化成機器代碼，最後輸出目標文件。

clang -fmodules -c main.s -o main.o
複製代碼

查看main.o中的符號

xcrun nm -nm main.o
複製代碼

能夠看到print函數、test函數、main函數

• _printf 能夠看到 undefined extranal 標示
• undefined 表明它在當前文件找不到
• extranal 表明它能夠外部訪問

生成能夠執行文件

把編譯的.o文件和dylib.a文件鏈接，生成mach-o文件

clang	main.o	-o	main
複製代碼

執行可執行文件，能夠看見輸出了正確結果