LLVM编译流程

• LLVM概述

  LLVM是构架编译器(compiler)的框架系统，以C++编写而成，用于优化以任意程序语言编写的程序的编译时间(compile-time)、连接时间(link-time)、运行时间(run-time) 以及空闲时间(idle-time),对开发者保持开放，并兼容已有脚本。

• 传统编译器设计

  
  编译器不一样于解释器，解释器能够将高级语言边转译边执行。可是编译器须要将全部的源代码编译成机器代码以后，而后才能执行，因此如图无论传统的仍是LLVM都必定是源代码输入，输出是机器代码（也就是0101组合），中间还分前端、优化器、后端

  • 编译器前端（Frontend）

    编译器前端的任务是解析源代码。它会进行：词法分析，语法分析，语义分析, 检查源代码是否存在错误，而后构建抽象语法树(Abstract Syntax Tree,AST) ,LLVM的前端还会生成中间代码(intermediate representation , IR)。

  • 优化器（Optimizer）

    优化器负责进行各类优化。改善代码的运行时间，例如消除冗余计算等。

  • 后端(Backend) /代码生成器(CodeGenerator)

    将代码映射到目标指令集。生成机器语言，而且进行机器相关的代码优化

  • iOS的编译器架构

  Objective C/C/C++使用的编译器前端是Clang, Swift是Swift，后端都是LLVM。

• LLVM的设计

  
  当编译器决定支持多种源语言或多种硬件架构时，LLVM最重要的地方就来了。 其余的编译器如GCC,它方法很是成功，但因为它是做为总体应用程序设计的, 所以它们的用途受到了很大的限制。
  LLVM设计的最重要方面是，使用通用的代码表示形式（IR），它是用来在编译器中标识代码的形式（其实就是一种中间代码）。因此LLVM能够为任何变成语言独立编写前端，而且能够为任意硬件架构独立编写后端。

• Clang

  Clang是LLVM项目中的一个子项目。它是基于LLVM架构的轻量级编译器，诞生之初是为了替代GCC,提供更快的编译速度。它是负责编译C、C++、Objecte-C语言的编译器，它属于整个LLVM架构中的，编译器前端。

• 编译流程

  首先简单写一个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;
   }
  复制代码

  • 经过命令打印查看源码的编译阶段

    命令：clang -ccc-print-phases main.m 能够发现主要分6个步骤
    • 0：输入文件：找到源文件。
    • 1：预处理阶段：这个过程处理包括宏的替换，头文件的导入。
    • 2：编译阶段：进行词法分析、语法分析、检测语法是否正确，最终生成IR。
    • 3：后端：这里LLVM会经过一个一个的Pass去优化，每一个Pass作一些事情，最终生成汇编代码。
    • 4：生成目标文件。
    • 5：连接：连接须要的动态库和静态库，生成可执行文件。
    • 6：经过不一样的架构，生成对应的可执行文件。

  • 预处理阶段

    命令：clang -E main.m
    宏在预处理阶段会被替换掉，typedef不会被替换掉，因此通常为了安全可使用，作代码混淆

  • 编译阶段

    • 词法分析

      预处理完成后就会进行词法分析.这里会把代码切成一个个Token,好比大小括 号，等于号还有字符串等
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m 注：若是头文件找不到能够指定sdk
      clang -isysroot （本身SDK路径） -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

    • 语法分析

      词法分析完成以后就是语法分析，它的任务是验证语法是否正确。在词法分析的基础上将单词序列组合成各种语法短语，如“程序”，“语句”，“表达式”等等，而后将全部节点组成抽象语法树(Abstract Syntax Tree, AST)。语法分析程序判断源程序在结构上是否正确。
      命令： clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
      • FunctionDecl 函数
      • ParmVarDecl 参数
      • CallExpr 调用一个函数
      • BinaryOperator 运算符

    • 生成中间代码IR

      完成以上步骤后就开始生成中间代码IR了，代码生成器(Code Generation)会将语法树自顶向下遍历逐步翻译成LLVM IR。经过下面命令能够生成.11的文本文件，查看IR代码。
      命令：clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
Objective C代码在这一步会进行runtime的桥接：property合成，ARC处理等
      IR的基本语法：
      • @ 全局标识
      • % 局部标识
      • alloca 开辟空间
      • align 内存对齐
      • i32 32个bit, 4个字节
      • store 写入内存
      • load 读取数据
      • call 调用函数
      • ret 返回
      IR优化：
      LLVM的优化级别分别是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一个是大写英文字母O)
      优化命令：clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll 通常设置是在target - Build Setting - Optimization Level（优化器等级）中设置 Debug状况下默认是不优化，Release状况下默认Fastest、Smallest
      优化后的代码：

    • bitCode

      xcode7之后开启bitcode苹果会作进一步的优化。生成.be的中间代码。 咱们经过优化后的IR代码生成.be代码
      命令：clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

    • 生成汇编代码

      最终经过.be或者.ll代码生成汇编代码
      命令：
      clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
      固然生成的汇编代码也能够进行优化（注意若是生成IR代码已经作过优化了此时在优化不会再起做用）
      命令：clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

    • 生成目标文件（汇编器）

      目标文件的生成，是汇编器以汇编代码做为输入，将汇编代码转换为机器代码, 最后输出目标文件(object file)
      命令： clang -fmodules -c main.s -o main.o 能够发现是个Mach-O文件
      经过nm命令，查看下main.o中的符号
      命令： xcrun nm -nm main.o 发现找不到_printf这个方法，应为_printf是从外部的库引入

    • 生成可执行文件（连接）

      链接器把编译产生的.o文件和(.dylib .a)文件，生成一个mach-o文件。
      命令：clang main.o -o main 发现此时是一个可执行的Mach-O文件
      再查看连接以后的符号
      应为OC的特性运行时，动态库实在运行时须要使用的时候再加载到内存的，因此编一阶段找不到对应的方法

• LLVM编译流程图