让你理解什么是LLVM

时间 2019-11-18

标签让你理解什么 llvm 繁體版

原文原文链接

什么是LLVM

LLVM项目是模块化、可重用的编译器以及工具链技术的集合。html

美国计算机协会 (ACM) 将其2012 年软件系统奖项颁给了LLVM，以前曾经得到此奖项的软件和技术包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等
创始人:Chris Lattner，亦是Swift之父前端

备注：有些文章把LLVM当作Low Level Virtual Machine(低级虚拟机)的缩写简称，官方描述以下
The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”这个名称自己不是首字母缩略词; 它是项目的全名。java

传统的编译器架构

传统编译器架构

Frontend:前端
词法分析、语法分析、语义分析、生成中间代码
Optimizer:优化器
中间代码优化
Backend:后端
生成机器码

LLVM架构

不一样的前端后端使用统一的中间代码LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
若是须要支持一种新的编程语言，那么只须要实现一个新的前端
若是须要支持一种新的硬件设备，那么只须要实现一个新的后端
优化阶段是一个通用的阶段，它针对的是统一的LLVM IR，不管是支持新的编程语言，仍是支持新的硬件设备，都不须要对优化阶段作修改
相比之下，GCC的前端和后端没分得太开，前端后端耦合在了一块儿。因此GCC为了支持一门新的语言，或者为了支持一个新的目标平台，就变得特别困难
LLVM如今被做为实现各类静态和运行时编译语言的通用基础结构(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

什么是Clang

LLVM项目的一个子项目，基于LLVM架构的C/C++/Objective-C编译器前端。c++

相比于GCC，Clang具备以下优势git

编译速度快:在某些平台上，Clang的编译速度显著的快过GCC(Debug模式下编译OC速度比GGC快3倍)
占用内存小:Clang生成的AST所占用的内存是GCC的五分之一左右
模块化设计:Clang采用基于库的模块化设计，易于 IDE 集成及其余用途的重用
诊断信息可读性强:在编译过程当中，Clang 建立并保留了大量详细的元数据 (metadata)，有利于调试和错误报告
设计清晰简单，容易理解，易于扩展加强

Clang与LLVM关系

Clang与LLVM

LLVM总体架构，前端用的是clang，广义的LLVM是指整个LLVM架构，通常狭义的LLVM指的是LLVM后端（包含代码优化和目标代码生成）。github

源代码（c/c++）通过clang--> 中间代码(通过一系列的优化，优化用的是Pass) --> 机器码objective-c

OC源文件的编译过程

这里用Xcode建立一个Test项目，而后cd到main.m的上一路径。
命令行查看编译的过程:$ clang -ccc-print-phases main.m编程

$ 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.预处理器，处理include、import、宏定义
2.编译器编译，编译成ir中间代码
3.后端，生成目标代码
4.汇编
5.连接其余动态库静态库
6.编译成适合某个架构的代码后端

查看preprocessor(预处理)的结果:$ clang -E main.m
这个命令敲出，终端就会打印许多信息，大体以下：xcode

# 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; }

词法分析

词法分析，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
将代码分红一个个小单元（token）

举例以下：

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>

能够看出，词法分析的时候，将上面的代码拆分一个个token，后面数字表示某一行的第几个字符，例如第一个void，表示第18行第一个字符。

语法树-AST

语法分析，生成语法树(AST，Abstract Syntax Tree): $ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
经过语法树，咱们能知道这个代码是作什么的。

仍是刚刚的test函数
生成语法树以下：

|-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>

在终端敲出的时候，终端很直观的帮咱们用颜色区分。咱们能够用图形显示以下：

test函数的语法树

LLVM IR

LLVM IR有3种表示形式（本质是等价的）

text:便于阅读的文本格式，相似于汇编语言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m
memory:内存格式
bitcode:二进制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

咱们以text形式编译查看：

; 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基本语法
注释以分号 ; 开头
全局标识符以@开头，局部标识符以%开头
alloca，在当前函数栈帧中分配内存
i32，32bit，4个字节的意思
align，内存对齐
store，写入数据
load，读取数据
官方语法参考 https://llvm.org/docs/LangRef.html

应用与实践

咱们的开发都是基于源码开发，因此咱们首先要进行源码下载和编译。
源码下载

下载LLVM
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/ 下载clang $ cd llvm/tools $ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/ 备注：clang是llvm的子项目，可是它们的源码是分开的，咱们须要将clang放在llvm/tools目录下。

源码编译
这里咱们在终端敲出的clang是xcode默认内置clang编译器，咱们本身要进行LLVM开发的话，须要编译属于咱们本身的clang编译器

首先安装cmake和ninja(先安装brew，https://brew.sh/) $ brew install cmake $ brew install ninja ninja若是安装失败，能够直接从github获取release版放入【/usr/local/bin】中 https://github.com/ninja-build/ninja/releases 在LLVM源码同级目录下新建一个【llvm_build】目录(最终会在【llvm_build】目录下生成【build.ninja】 $ cd llvm_build $ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安装路径 备注：生成build.ninja，就表示编译成功，-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示编译好的东西放在指定的路径，-D表示参数。 更多cmake相关选项，能够参考: https://llvm.org/docs/CMake.html

接下来依次执行编译、安装指令

$ ninja
编译完毕后， 【llvm_build】目录大概 21.05 G（这个真的是好大啊） $ ninja install

而后到这里咱们的编译就完成了。

另外一种方式是经过Xcode编译，生成Xcode项目再进行编译，可是速度很慢(可能须要1个多小时)。

方法以下：
 在llvm同级目录下新建一个【llvm_xcode】目录
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode ../llvm

应用与实践的参考

libclang、libTooling
官方参考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
应用:语法树分析、语言转换等
Clang插件开发
官方参考
一、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
二、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
三、https://clang.llvm.org/docs/RAVFrontendAction.html
应用:代码检查(命名规范、代码规范)等
Pass开发
官方参考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html
应用:代码优化、代码混淆等
开发新的编程语言
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 连接：https://www.jianshu.com/p/1367dad95445 来源：简书简书著做权归做者全部，任何形式的转载都请联系做者得到受权并注明出处。