iOS LLVM及编译过程

LLVM概述

• LLVM 是以 C++ 编写的架构编译器（compiler）的框架系统
• 从如下方面优化任意语言编写的的程序
  • 编译时间 compile time
  • 连接时间 link time
  • 运行时间 run time
  • 空闲时间 idle time

传统编译器设计

编译器前端 Frontend

编译器前端的任务是 解析源代码

• 检查代码正确性
  • 词法分析
  • 语法分析
  • 语义分析
• 构建抽象语法树
• LLVM的前端还会生成 中间代码（intermediate representation，IR）

优化器 Optimizer

优化器端的任务是改善代码的运行时间，例如消除冗余运算等。

编译器后端 Backend / 代码生成器CodeGenerator

• 将代码映射到目标指令集
• 生成机器语言
• 机器相关的代码优化

iOS的编译器架构

OC、c、c++ 使用的编译器前端是clang；Swift使用的是Swift；后端都是LLVM。

LLVM的设计

传统的编译器设计把前端、优化器、后端集成在一块儿，须要支持新语言或新硬件结构时就必须从新开发一套编译器。LLVM的设计模式很好的解决了这种不便。

• LLVM的编译器前端会生成通用的中间代码（intermediate respresentation IR）
• 优化器对中间代码处理不须要改变
• 须要支持新语言时只须要单独开发前端
• 须要支持新架构时只须要单独编写后端

Clang

• LLVM中的一个子项目
• 基于LLVM的轻量级编译器
• 替代GCC，提供更快的编译速度
• 负责编译OC、C、C++
• LLVM架构的编译器前端

编译流程

打印编译流程

clang -ccc-print-phases main.m 
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• 0、输入文件：找到源文件
• 一、预处理：包括替换宏和导入头文件
• 二、编译阶段：词法分析、语法分析、语义分析，最终生成IR
• 三、后端：经过一个个Pass去优化，每一个Pass完成一部分功能，最终生成汇编代码
• 四、生成目标文件
• 五、连接：连接须要的动态库和静态库，生成目标文件
• 六、经过不一样架构，生成对应的可执行文件

预处理

clang -E main.m
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执行后能够看到头文件导入以及宏被替换。

词法分析

预处理后会进行词法分析，词法分析会把代码切片成一个个token。

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
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执行后能够看到每一个词(token)所在的位置

语法分析

语法分析会验证语法是否正确，在词法分析的基础上把单词组合成各类语法短语，而后把节点组成抽象的语法树（Abstract Syntax Tree，AST）

clang -fmodules	-fsyntax-only -Xclang -ast-dump	main.m
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若是找不到头文件，能够手动导入SDK

clang -isysroot SDK路径 -fmodules -fsyntax-only	-Xclang	-ast-dump main.m
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生成中间代码IR（intermediate representation）

处理完上述步骤，代码生成器(Core Generator)会根据语法树自顶向下生成LLVM IR。OC会在这里进行runtime的桥接：property的合成、ARC处理等。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
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LLVM的优化级别有 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
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执行指令能够获得.ll文件

• IR基本语法

@       全局标示
%       局部标示
alloca  开辟空间
align   字节对齐
i32     32位，4字节
store   写入内存
load    读取数据
call    调用函数
ret     return
复制代码

查看未优化的main.ll

优化后的main.ll

bitCode

xcode7之后开启了bitCode，苹果对代码作了进一步优化并生成.bc文件。经过.ll文件生成.bc文件。

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc
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生成汇编代码

能够经过.bc或.ll文件生成汇编代码

clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s
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生成汇编代码的时候也能够进行优化

clang -Os -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
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生成目标文件

输入汇编代码，转化成机器代码，最后输出目标文件。

clang -fmodules -c main.s -o main.o
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查看main.o中的符号

xcrun nm -nm main.o
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能够看到print函数、test函数、main函数

• _printf 能够看到 undefined extranal 标示
• undefined 表明它在当前文件找不到
• extranal 表明它能够外部访问

生成能够执行文件

把编译的.o文件和dylib.a文件链接，生成mach-o文件

clang	main.o	-o	main
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执行可执行文件，能够看见输出了正确结果