什么是LLVM
LLVM項(xiàng)目是模塊化羔挡、可重用的編譯器以及工具鏈技術(shù)的集合膏执。
美國(guó)計(jì)算機(jī)協(xié)會(huì) (ACM) 將其2012 年軟件系統(tǒng)獎(jiǎng)項(xiàng)頒給了LLVM棒旗，之前曾經(jīng)獲得此獎(jiǎng)項(xiàng)的軟件和技術(shù)包括:Java、Apache朋贬、 Mosaic、the World Wide Web窜骄、Smalltalk兄世、UNIX、Eclipse等等
創(chuàng)始人:Chris Lattner啊研，亦是Swift之父
趣聞：Chris Latter本來(lái)只是想寫一個(gè)底層的虛擬機(jī)，這也是LLVM名字的由來(lái)鸥拧，low level virtual machine党远，跟Java的JVM虛擬機(jī)一樣，可是后來(lái)富弦，llvm從來(lái)沒有被用作過(guò)虛擬機(jī)沟娱，哪怕LLVM的名氣已經(jīng)傳開了。所以人們決定仍然叫他LLVM腕柜，更多的時(shí)候只是當(dāng)作“商標(biāo)”一樣的感覺在使用济似，其實(shí)它跟虛擬機(jī)沒有半毛錢關(guān)系矫废。官方描述如下
The name "LLVM" itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”這個(gè)名稱本身不是首字母縮略詞; 它是項(xiàng)目的全名。
傳統(tǒng)的編譯器架構(gòu)
-
Frontend:前端
詞法分析砰蠢、語(yǔ)法分析蓖扑、語(yǔ)義分析、生成中間代碼 -
Optimizer:優(yōu)化器
中間代碼優(yōu)化 -
Backend:后端
生成機(jī)器碼
LLVM架構(gòu)
- 不同的前端后端使用統(tǒng)一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)
- 如果需要支持一種新的編程語(yǔ)言台舱，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的前端
- 如果需要支持一種新的硬件設(shè)備律杠，那么只需要實(shí)現(xiàn)一個(gè)新的后端
- 優(yōu)化階段是一個(gè)通用的階段，它針對(duì)的是統(tǒng)一的LLVM IR竞惋，不論是支持新的編程語(yǔ)言柜去，還是支持新的硬件設(shè)備，都不需要對(duì)優(yōu)化階段做修改
- 相比之下拆宛，GCC的前端和后端沒分得太開嗓奢，前端后端耦合在了一起。所以GCC為了支持一門新的語(yǔ)言浑厚，或者為了支持一個(gè)新的目標(biāo)平臺(tái)股耽，就 變得特別困難
- LLVM現(xiàn)在被作為實(shí)現(xiàn)各種靜態(tài)和運(yùn)行時(shí)編譯語(yǔ)言的通用基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)(GCC家族、Java瞻颂、.NET豺谈、Python、Ruby贡这、Scheme茬末、Haskell、D等)
什么是Clang
LLVM項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目盖矫，基于LLVM架構(gòu)的C/C++/Objective-C編譯器前端丽惭。
相比于GCC，Clang具有如下優(yōu)點(diǎn)
- 編譯速度快:在某些平臺(tái)上辈双，Clang的編譯速度顯著的快過(guò)GCC(Debug模式下編譯OC速度比GGC快3倍)
- 占用內(nèi)存小:Clang生成的AST所占用的內(nèi)存是GCC的五分之一左右
- 模塊化設(shè)計(jì):Clang采用基于庫(kù)的模塊化設(shè)計(jì)责掏，易于 IDE 集成及其他用途的重用
- 診斷信息可讀性強(qiáng):在編譯過(guò)程中，Clang 創(chuàng)建并保留了大量詳細(xì)的元數(shù)據(jù) (metadata)湃望，有利于調(diào)試和錯(cuò)誤報(bào)告
- 設(shè)計(jì)清晰簡(jiǎn)單换衬，容易理解，易于擴(kuò)展增強(qiáng)
Clang與LLVM關(guān)系
LLVM整體架構(gòu)证芭，前端用的是clang瞳浦，廣義的LLVM是指整個(gè)LLVM架構(gòu)，一般狹義的LLVM指的是LLVM后端（包含代碼優(yōu)化和目標(biāo)代碼生成）废士。
源代碼（c/c++）經(jīng)過(guò)clang--> 中間代碼(經(jīng)過(guò)一系列的優(yōu)化叫潦，優(yōu)化用的是Pass) --> 機(jī)器碼
OC源文件的編譯過(guò)程
這里用Xcode創(chuàng)建一個(gè)Test項(xiàng)目，然后cd到main.m的上一路徑官硝。
命令行查看編譯的過(guò)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.預(yù)處理器矗蕊，處理include短蜕、import、宏定義
2.編譯器編譯傻咖，編譯成ir中間代碼
3.后端朋魔，生成目標(biāo)代碼
4.匯編
5.鏈接其他動(dòng)態(tài)庫(kù)靜態(tài)庫(kù)
6.編譯成適合某個(gè)架構(gòu)的代碼
查看preprocessor(預(yù)處理)的結(jié)果:$ clang -E main.m
這個(gè)命令敲出，終端就會(huì)打印許多信息没龙，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;
}
詞法分析
詞法分析铺厨，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
將代碼分成一個(gè)個(gè)小單元（token）
舉例如下：
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，詞法分析的時(shí)候硬纤，將上面的代碼拆分一個(gè)個(gè)token解滓，后面數(shù)字表示某一行的第幾個(gè)字符，例如第一個(gè)void筝家，表示第18行第一個(gè)字符洼裤。
語(yǔ)法樹-AST
語(yǔ)法分析，生成語(yǔ)法樹(AST溪王，Abstract Syntax Tree): $ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
通過(guò)語(yǔ)法樹腮鞍，我們能知道這個(gè)代碼是做什么的。
還是剛剛的test函數(shù)
生成語(yǔ)法樹如下：
|-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>
在終端敲出的時(shí)候莹菱，終端很直觀的幫我們用顏色區(qū)分移国。我們可以用圖形顯示如下：
LLVM IR
LLVM IR有3種表示形式（本質(zhì)是等價(jià)的）
- text:便于閱讀的文本格式，類似于匯編語(yǔ)言道伟，拓展名.ll迹缀， $ clang -S -emit-llvm main.m
- memory:內(nèi)存格式
- bitcode:二進(jìn)制格式，拓展名.bc蜜徽， $ clang -c -emit-llvm main.m
我們以text形式編譯查看：
; 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基本語(yǔ)法
注釋以分號(hào) ; 開頭
全局標(biāo)識(shí)符以@開頭祝懂，局部標(biāo)識(shí)符以%開頭
alloca，在當(dāng)前函數(shù)棧幀中分配內(nèi)存
i32拘鞋，32bit砚蓬，4個(gè)字節(jié)的意思
align，內(nèi)存對(duì)齊
store盆色，寫入數(shù)據(jù)
load灰蛙，讀取數(shù)據(jù)
官方語(yǔ)法參考 https://llvm.org/docs/LangRef.html
應(yīng)用與實(shí)踐
我們的開發(fā)都是基于源碼開發(fā)，所以我們首先要進(jìn)行源碼下載和編譯隔躲。
源碼下載
下載LLVM
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/
下載clang
$ cd llvm/tools
$ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/
備注：clang是llvm的子項(xiàng)目缕允，但是它們的源碼是分開的，我們需要將clang放在llvm/tools目錄下蹭越。
源碼編譯
這里我們?cè)诮K端敲出的clang是xcode默認(rèn)內(nèi)置clang編譯器，我們自己要進(jìn)行LLVM開發(fā)的話教届，需要編譯屬于我們自己的clang編譯器
首先安裝cmake和ninja(先安裝brew响鹃，https://brew.sh/)
$ brew install cmake
$ brew install ninja
ninja如果安裝失敗驾霜，可以直接從github獲取release版放入【/usr/local/bin】中
https://github.com/ninja-build/ninja/releases
在LLVM源碼同級(jí)目錄下新建一個(gè)【llvm_build】目錄(最終會(huì)在【llvm_build】目錄下生成【build.ninja】
$ cd llvm_build
$ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安裝路徑
備注：生成build.ninja，就表示編譯成功买置，-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示編譯好的東西放在指定的路徑粪糙，-D表示參數(shù)。
更多cmake相關(guān)選項(xiàng)忿项，可以參考: https://llvm.org/docs/CMake.html
接下來(lái)依次執(zhí)行編譯蓉冈、安裝指令
$ ninja
編譯完畢后， 【llvm_build】目錄大概 21.05 G（這個(gè)真的是好大靶ァ）
$ ninja install
然后到這里我們的編譯就完成了寞酿。
另一種方式是通過(guò)Xcode編譯，生成Xcode項(xiàng)目再進(jìn)行編譯脱柱，但是速度很慢(可能需要1個(gè)多小時(shí))伐弹。
方法如下：
在llvm同級(jí)目錄下新建一個(gè)【llvm_xcode】目錄
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode ../llvm
應(yīng)用與實(shí)踐的參考
libclang、libTooling
官方參考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
應(yīng)用:語(yǔ)法樹分析榨为、語(yǔ)言轉(zhuǎn)換等Clang插件開發(fā)
官方參考
1惨好、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
2、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
3随闺、https://clang.llvm.org/docs/RAVFrontendAction.html
應(yīng)用:代碼檢查(命名規(guī)范日川、代碼規(guī)范)等Pass開發(fā)
官方參考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html
應(yīng)用:代碼優(yōu)化、代碼混淆等開發(fā)新的編程語(yǔ)言
1矩乐、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
2龄句、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/
