[转载] LLVM原理科普

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所属分类:binary 菜鸟笔记

转载自: https://www.cnblogs.com/wuhh123/p/10668609.html

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。

美国计算机协会 (ACM) 将其2012 年软件系统奖项颁给了LLVM,之前曾经获得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

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

传统的编译器架构

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  • 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

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  • 不同的前端后端使用统一的中间代码LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
  • 如果需要支持一种新的编程语言,那么只需要实现一个新的前端
  • 如果需要支持一种新的硬件设备,那么只需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,不论是支持新的编程语言,还是支持新的硬件设备,都不需要对优化阶段做修改
  • 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起。所以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现在被作为实现各种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。

相比于GCC,Clang具有如下优点

  • 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 集成及其他用途的重用
  • 诊断信息可读性强:在编译过程中,Clang 创建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,易于扩展增强

Clang与LLVM关系

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Clang与LLVM

LLVM整体架构,前端用的是clang,广义的LLVM是指整个LLVM架构,一般狭义的LLVM指的是LLVM后端(包含代码优化和目标代码生成)。

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

OC源文件的编译过程

这里用Xcode创建一个Test项目,然后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

$ 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.链接其他动态库静态库
6.编译成适合某个架构的代码

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,大致如下:

# 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;
}

词法分析

词法分析,生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
将代码分成一个个小单元(token)

举例如下:

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>

可以看出,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
通过语法树,我们能知道这个代码是做什么的。

还是刚刚的test函数
生成语法树如下:

|-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,终端很直观的帮我们用颜色区分。我们可以用图形显示如下:

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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,类似于汇编语言,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

我们以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

我们的开发都是基于源码开发,所以我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,但是它们的源码是分开的,我们需要将clang放在llvm/tools目录下。

源码编译
这里我们在终端敲出的clang是xcode默认内置clang编译器,我们自己要进行LLVM开发的话,需要编译属于我们自己的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如果安装失败,可以直接从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,可以参考: 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

然后到这里我们的编译就完成了。

另一种方式是通过Xcode编译,生成Xcode项目再进行编译,但是速度很慢(可能需要1个多小时)。

方法如下:
 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

eqqie

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