深入浅出LLVM

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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。

趣闻：Chris Latter本来只是想写一个底层的虚拟机，这也是LLVM名字的由来，low level virtual machine，跟Java的JVM虚拟机一样，可是后来，llvm从来没有被用作过虚拟机，哪怕LLVM的名气已经传开了。所以人们决定仍然叫他LLVM，更多的时候只是当作“商标”一样的感觉在使用，其实它跟虚拟机没有半毛钱关系。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。

编译器架构

传统编译器架构

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

找到main.m文件
预处理器，处理include、import、宏定义
编译器编译，编译成IR中间代码
后端，生成目标代码
汇编
链接其他动态库静态库
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。

AST-抽象语法树

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：

在这里插入图片描述

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 4store i32 %0, i32* %3, align 4store 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, 3store i32 %9, i32* %5, align 4ret 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

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
1、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
2、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
3、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
1、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
2、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/

参考：
https://juejin.im/post/5bfba01df265da614273939a