本文為L_Ares個人寫作篇裁，以任何形式轉(zhuǎn)載請表明原文出處菲饼。

LLVM

內(nèi)容較多，本文盡量不廢話远剩，看起來會有點刻板扣溺，但都是干貨，請各位先仔細并且充分的理解以下三個問題 :

1. 為什么要了解LLVM和Clang?
2. 什么是LLVM?
3. 什么是Clang?

注 : 概念性的資料源于百科(維基百科或LLVM官網(wǎng))瓜晤。

前言 : 為什么要了解LLVM?

因為Objective-C和Swift語言都是編譯型語言锥余，所以需要編譯器對其轉(zhuǎn)換成機器語言才會被系統(tǒng)識別，而它們的編譯器都是基于LLVM體系開發(fā)的痢掠。

對編譯器驱犹、編譯型語言有所遺忘的童鞋看這里。

一足画、簡述什么是LLVM

前言

第一 :
本節(jié)的重點雖然是LLVM雄驹，但是主要還是以iOSer的角度來看的。

第二 :
要想深入學(xué)習(xí)LLVM的話淹辞，本節(jié)的這些內(nèi)容只能算是一個概念的大體簡述医舆，尤其主要是iOS的視角，所以想了解更多LLVM的同學(xué)桑涎，還需自行查看LLVM官網(wǎng)彬向。

第三 :
如果覺得LLVM官網(wǎng)真的很難懂，又全是英文攻冷，翻譯無法精準的話娃胆，那么可以看一下知乎上的藍色大大對于LLVM的講解，再配合LLVM官網(wǎng)進行學(xué)習(xí)等曼。

概念

這里的概念全部引自LLVM官網(wǎng)里烦。

LLVM現(xiàn)在已經(jīng)不是一個名稱的首字母縮寫了(最初還真是)，而是一個項目名稱禁谦，是一個模塊化的胁黑、可重用的編譯器和工具鏈技術(shù)的集合。

簡言之州泊，LLVM是架構(gòu)編輯器的框架系統(tǒng)丧蘸。

所謂工具鏈技術(shù)蒸走，舉個栗子 :

嵌入式Linux就提供了一套完整的工具鏈遭赂，它利用GNU的gcc做編譯器，利用gdb、xgdb做調(diào)試工具氯庆，可以很方便的實現(xiàn)從操作系統(tǒng)的內(nèi)核態(tài)到用戶態(tài)的應(yīng)用軟件各個級別的調(diào)試庙楚。

所謂框架系統(tǒng) :

就是說LLVM不僅僅是某一樣具體的事物膝擂，而是由很多模塊組合起來的框架亚斋。

所謂框架就是你可以基于它提供的功能開發(fā)自己的模塊，并且集成到LLVM系統(tǒng)上拂募，增加LLVM的功能庭猩。

或者你也可以利用LLVM作為一種底層支持，去完成自己的軟件開發(fā)陈症。

概述

LLVM曾是Low Level Virtual Machine(低等級虛擬機)的縮寫蔼水，現(xiàn)在它是一個項目體系、是一套框架系統(tǒng)录肯。

LLVM項目包括了非常多的子項目徙缴，包括iOS開發(fā)者常見的Clang，LLDB嘁信，libc++和libc++ ABI，這都是LLVM的主要子項目疏叨。

LLVM雖然包含了這么多編譯器作為子項目潘靖，但是它本身并不是編譯器，也不是編譯器后端蚤蔓。

它提供的是編譯器所需的一系列的庫卦溢。例如程序分析、代碼優(yōu)化秀又、機器代碼生成等单寂，并且提供了調(diào)用這些庫的相關(guān)工具。也為這些庫提供了方便簡單的吐辙、具備類型的宣决、與平臺無關(guān)的統(tǒng)一中間代碼語言——LLVM IR。

LLVM以C++編寫而成昏苏，用于優(yōu)化以任意程序語言編寫的 :

• 編譯時間 (compile-time)

• 鏈接時間 (link-time)

• 運行時間 (run-time)

• 空閑時間 (idle-time)

LLVM對開發(fā)者保持開放尊沸，并且兼容現(xiàn)有的腳本。

二贤惯、編譯器的設(shè)計

在探索LLVM的設(shè)計之前洼专，先看一下傳統(tǒng)的編譯器設(shè)計，來比較兩者的區(qū)別孵构，以探索LLVM的優(yōu)勢屁商。

1. 傳統(tǒng)編譯器的設(shè)計

如圖2.1.0所示

圖2.1.0

傳統(tǒng)的編譯器整體流程是 :

源碼 --> 編譯器前端 --> 優(yōu)化器 --> 編譯器后端/代碼生成器(CodeGenetator) --> 機器語言

1.1 編譯器前端(Frontend)

傳統(tǒng)的編譯器前端主要任務(wù)就是讀取源代碼，對讀取的源代碼做詞法分析颈墅、語法分析蜡镶、語義分析雾袱，通過這些分析來檢查源代碼是否存在錯誤，然后構(gòu)建語法樹 (Abstract Syntax Tree, AST)帽哑。

1.2 優(yōu)化器(Optimizer)

優(yōu)化器的責(zé)任就是各種優(yōu)化谜酒。改善代碼的運行時間，例如消除冗余計算等妻枕。

1.3 編譯器后端(Backend)/代碼生成器(CodeGenerator)

將代碼映射到目標指令集僻族，生成機器語言，并進行機器相關(guān)的代碼優(yōu)化屡谐。

后端或者說代碼生成器述么，最后生成的是對應(yīng)不同架構(gòu)的二進制文件，之所以需要生成不同的二進制文件愕掏，就是因為不同的架構(gòu)有不同的指令集度秘，不同的指令集對相同的二進制文件的指令識別是不同的，所以要將代碼映射到對應(yīng)的指令集饵撑。

2. iOS的編譯器架構(gòu)

所謂iOS的編譯器架構(gòu)其實就是LLVM編譯器架構(gòu)中的一部分剑梳。包括Objective-C、C滑潘、C++在內(nèi)垢乙，它們使用的編譯器前端都是Clang。而Swift的編譯器前端就是Swift语卤。它們的編譯器后端則全部都是LLVM Code Generator追逮。

而Clang也只是整個LLVM架構(gòu)中的一個子項目，屬于編譯器前端粹舵。

來看iOS的編譯器架構(gòu)圖 :

圖2.2.0

很明顯钮孵，iOS的編譯器是通過Clang或者Swift來完成詞法分析、語法分析眼滤、語義分析的步驟巴席，來完成對源代碼的錯誤排查，然后生成抽象語法樹(AST)柠偶。

這里利用的就是LLVM的前端情妖，和傳統(tǒng)編譯器的不同點是，Clang不止做完了上述的排查诱担，還會生成一個非常重要的東西——IR毡证。

什么是IR?

LLVM的編譯器前端不僅會完成分析排查和生成抽象語法樹的工作，還會生成中間代碼蔫仙，這個中間代碼在LLVM中被稱作IR (intermediate representation)料睛。

那么用語言來描述iOS的編譯器架構(gòu)設(shè)計流程就是 :

1. Clang/Swift讀取源代碼，檢查詞法、語法恤煞、語義的分析屎勘，排查錯誤，生成抽象語法樹(AST)居扒，并生成中間代碼IR概漱。

2. 然后將IR給到LLVM的優(yōu)化器(Optimizer)，改善代碼的運行時間喜喂，消除冗余計算等瓤摧。

3. 最后將優(yōu)化過的IR再傳給后端或者說代碼生成器，由后端/代碼生成器完成將IR轉(zhuǎn)換成對應(yīng)不同架構(gòu)的二進制文件玉吁，完成機器代碼的相關(guān)優(yōu)化照弥。

3. LLVM的設(shè)計

LLVM的設(shè)計核心 : 中間代碼IR。

LLVM的設(shè)計重點和優(yōu)勢 : 面對多種源語言(編譯器前端來做)进副，或者多種硬件架構(gòu)(編譯器后端來做)的情況時这揣，對比傳統(tǒng)的編譯器例如GCC，優(yōu)勢就是LLVM的IR設(shè)計影斑。

由于GCC是以一個整體應(yīng)用程序設(shè)計的给赞，也就是說，如果你的前端源語言或者后端硬件架構(gòu)矫户，任一一個發(fā)生了變化的話塞俱，你需要重新設(shè)計一整套前端--優(yōu)化器--后端的編譯器。

LLVM的設(shè)計圖 :

圖2.3.0

1. 前端讀取源碼吏垮，經(jīng)過傳統(tǒng)步驟后，多增加一步生成中間代碼IR罐旗，然后輸出IR給優(yōu)化器膳汪。

2. 優(yōu)化器讀取的是前端傳輸過來的IR，優(yōu)化的也是IR九秀，然后輸出的還是IR遗嗽。所以優(yōu)化器只需要對傳入過來的IR做優(yōu)化即可，無論前端是什么樣的源語言類型鼓蜒，都會被轉(zhuǎn)成IR痹换。

3. 后端/代碼生成器處理的則是優(yōu)化器傳來的IR，也是只需要針對IR做處理都弹，不需要管前端到底是什么類型的源語言娇豫。

優(yōu)勢 :

• 如果前端出現(xiàn)了新的源語言類型，LLVM只需要針對新語言適配一個IR轉(zhuǎn)換器即可畅厢，優(yōu)化器和后端都不需要進行大的改變冯痢，甚至不用改變。

• 如果后端出現(xiàn)了新的硬件架構(gòu)，LLVM只需要針對新的硬件架構(gòu)適配一個IR轉(zhuǎn)換器即可浦楣，優(yōu)化器和前端則不需要進行大的改變袖肥，甚至不用改變。

三振劳、關(guān)于Clang

1. 什么是Clang

內(nèi)容引自Clang官網(wǎng)椎组，個人翻譯，如有不準確的地方历恐，還請不吝賜教寸癌。

Clang是LLVM原生的針對C、C++夹供、Objective-C的編譯器灵份。

它的存在是為了提供一個平臺，Clang做到了 :

• 非诚ⅲ快的編譯速度
• 非常有用的error信息和warning警告
• 可以構(gòu)建非常優(yōu)秀的源代碼

Clang Static Analyzer和Clang -tidy都是可以自動發(fā)現(xiàn)你代碼里bug的工具填渠。它們都是Clang工具中很好的例子，它們可以將Clang編譯器前端作為一個庫去解析C/C++的代碼鸟辅。

2. Clang的概述

總的來說氛什，Clang是LLVM的子項目，它是基于LLVM架構(gòu)的輕量級編譯器匪凉，誕生之初是為了替代GCC枪眉，因為GCC是傳統(tǒng)型的編譯器，雖然非常好用再层，但是GCC的源碼太長了贸铜，又晦澀難懂，而且編譯速度還可提升聂受。于是基于LLVM架構(gòu)的Clang就逐步的擴大了影響力蒿秦。

3. 一些LLVM或Clang中的名詞解釋

3.1 詞法分析

詞法分析是計算機科學(xué)中將字符序列轉(zhuǎn)換為單詞序列的過程。

詞法分析是整個編譯流程的第一個階段蛋济，是編譯的基礎(chǔ)棍鳖。詞法分析要做的是從左到右一個字符一個字符的讀入源程序，對構(gòu)成源程序的字符進行掃描碗旅，然后根據(jù)構(gòu)詞規(guī)則識別單詞(也稱單詞符號或符號渡处，英文叫做Token)。

所謂單詞就是一個字符串祟辟，是構(gòu)成源代碼的最小單位医瘫。

詞法分析一般都是經(jīng)過詞法分析的程序或者專門的函數(shù)來完成的，這種程序或者函數(shù)叫做詞法分析器旧困，也叫掃描器(Scanner)登下。

3.2 語法分析

語法分析是整個編譯流程中的一個邏輯階段茫孔。語法分析的任務(wù)是在詞法分析的基礎(chǔ)上，將單詞序列的組合成各種語法短語被芳，如程序缰贝、語句、表達式等畔濒。

語法分析是判斷源程序在語法的結(jié)構(gòu)上是否正確剩晴。它和詞法分析分別像英語中的語法和單詞，詞法分析標明了單詞的含義侵状，語法分析則判斷單詞組合成的語句是否符合語法規(guī)則赞弥。

3.3 語義分析

語義分析也是整個編譯流程中的一個邏輯階段。語義分析的任務(wù)是對結(jié)構(gòu)上正確的源程序的上下文進行有關(guān)性質(zhì)的檢查和類型檢查趣兄。

語義分析是檢查源程序有無語義錯誤绽左，為代碼生成階段收集類型信息。

語義分析檢查的是源程序是否符合規(guī)定的語言規(guī)范艇潭。

語義分析是編譯程序最實質(zhì)性的工作拼窥，它是第一次對源代碼做出解釋的階段，引起源程序的實質(zhì)變化蹋凝。

語義和語法的區(qū)別鲁纠，我舉個例子，方便大家理解鳍寂。比如 : 我學(xué)習(xí)編程和編程學(xué)習(xí)我改含。兩者的語法都是沒有問題的，符合語法的規(guī)范——主謂賓迄汛。但是后者并不符合語義規(guī)范捍壤，后者的語言意義是一種空泛的表達。

3.4 抽象語法樹

這是源代碼的語法結(jié)構(gòu)的一種抽象表示鞍爱。所謂抽象語法白群，是指不會表示出所有細節(jié)的語法。

4. iOS中可能遇到的Clang常用指令

這里只說一些iOS中可能常用的Clang指令硬霍，如果想要全部的Clang指令集，可以在terminal終端中輸入clang --help查看笼裳。

如果認為上面的命令查看不方便的唯卖，這里還有github版本，內(nèi)容就是copy的clang --help躬柬。

或者可以直接在LLVM官網(wǎng)的Clang Document查詢拜轨。