1. LLVM概念

1.1 編譯器

LLVM與編譯器息息相關(guān)缓呛，究竟什么是編譯器呢蜡娶？帶著疑問往下看吧坟奥。
編譯器就是將一種語言（通常為高級語言）翻譯為另一種語言（通常為低級語言的程序免都。一個現(xiàn)代編譯器的主要工作流程：源代碼(source code) → 預(yù)處理器(preprocessor) → 編譯器(compiler) → 目標(biāo)代碼(object code) → 鏈接器(Linker) → 可執(zhí)行程序(executables)

源代碼一般為高級語言(High-level language)驯妄， 如C食侮、C++号涯、Java、Objective-C等或匯編語言疙描，而目標(biāo)則是機(jī)器語言的目標(biāo)代碼(Object copy)诚隙，有時也稱作機(jī)器代碼(Machine code)。

• 解釋型語言
  引入一個Python代碼起胰，見下圖：
  

  創(chuàng)建Python案例
  
  創(chuàng)建一個FirstDemo.py文件久又，里面只有一行代碼，print('Hello world for first time')效五。通過解釋器指令python地消，解釋這段代碼：
  
  解析Python案例
  
  通過上面的流程可以發(fā)現(xiàn)解釋型語言的運(yùn)行流程：
  
  解釋型語言編譯流程
  
  解釋型語言特點(diǎn)：邊解釋，邊執(zhí)行畏妖，運(yùn)行速度慢脉执，部分改動無需整體重新編譯，不可脫離解釋器環(huán)境運(yùn)行戒劫。

• 編譯型語言
  引入一個C代碼半夷，見下圖：
  

  創(chuàng)建C語言案例
  
  創(chuàng)建一個firstDemoForC.c文件，里面添加了一個main函數(shù)迅细。首先通過clang去讀取這個代碼:
  
  讀取C代碼
  
  讀取之后發(fā)現(xiàn)代碼并沒有立刻執(zhí)行巫橄，而是生成了一個a.out文件。這個文件就是可執(zhí)行文件茵典。通過./a.out執(zhí)行這段代碼：
  
  a.out執(zhí)行
  
  通過上面的流程可以發(fā)現(xiàn)編譯型語言的運(yùn)行流程：
  
  編譯型語言運(yùn)行流程
  
  編譯型語言特點(diǎn)：先整體編譯湘换，再執(zhí)行，運(yùn)行速度快统阿，任意改動需重新編譯彩倚，可脫離編譯環(huán)境運(yùn)行。

注意：編譯型語言編譯是先將代碼編譯成cpu可讀的懂的二進(jìn)制才能執(zhí)行

1.2 LLVM概述

LLVM是構(gòu)架編譯器(compiler)的框架系統(tǒng)扶平，以C++編寫而成帆离，用于優(yōu)化以任意程序語言編寫的程序的編譯時間(compile-time)、鏈接時間(link-time)蜻直、運(yùn)行時間(run-time)以及空閑時間(idle-time)盯质，對開發(fā)者保持開放袁串，并兼容已有腳本概而。

目前LLVM已經(jīng)被Apple呼巷、Microsoft、Google赎瑰、Facebook等各大公司采用王悍。

1.2.1 傳統(tǒng)編譯器的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)編譯器的設(shè)計(jì)

• 編譯器前端(Frontend)
  編譯器前端的任務(wù)是解析源代碼。它會進(jìn)行：詞法分析餐曼、語法分析压储、語義分析，檢查源代碼是否存在錯誤源譬，然后構(gòu)建抽象語法樹集惋，LLVM的前端會生成中間代碼IR。

• 優(yōu)化器(Optimizer)
  優(yōu)化器負(fù)責(zé)進(jìn)行各種優(yōu)化踩娘。改善運(yùn)行時間刮刑，例如消除冗余計(jì)算等。

• 后端(Backend)
  也可以叫代碼生成器(CodeGenerator)养渴，將代碼映射到目標(biāo)指令集雷绢。生成機(jī)器語言，并且進(jìn)行機(jī)器相關(guān)的代碼優(yōu)化理卑。

補(bǔ)充：隨著高級語言越來越多翘紊，終端類型種類的增加，所使用的的CPU架構(gòu)等也不盡相同藐唠，所以為了適配多種環(huán)境帆疟，不得不設(shè)計(jì)不同的編譯器，而這些編譯器前端和后端往往是捆綁在一起的宇立。

1.2.2 LLVM的設(shè)計(jì)思路

LLVM的設(shè)計(jì)之初踪宠，即將編譯器前端(Frontend)和后端(Backend)進(jìn)行了分離。將前端和后端針對不同的架構(gòu)泄伪，按照獨(dú)立的項(xiàng)目進(jìn)行研發(fā)殴蓬，而它們均采用通用的代碼形式IR。

前后端分離獨(dú)立適配架構(gòu)

1.2.3 iOS編譯架構(gòu)

Objective C/C/C++使用的編譯器前端是Clang尔苦，Swift是Swift涩馆，后端都是LLVM行施。

iOS編譯架構(gòu)

1.3 Clang

Clang是LLVM項(xiàng)目中的一個子項(xiàng)目。它是基于LLVM架構(gòu)的輕量級編譯器魂那，誕生之初是為了替代GCC蛾号，提供更快的編譯速度。它是負(fù)責(zé)編譯C涯雅、C++鲜结、Objective-C語言的編譯器，它屬于整個LLVM架構(gòu)中活逆，編譯器前端精刷。對于開發(fā)者來說，研究Clang可以給我們帶來很多好處蔗候。

2. 編譯流程詳解

通過命令可以打印源碼的編譯階段怒允。引入下面一個案例，main.m中添加代碼：

int main(int argc, const char * argv[]) {
    return 0;
}

通過指令clang -ccc-print-phases main.m锈遥，查看編譯流程：

通過指令查看編譯流程

2.1 預(yù)處理

執(zhí)行如下指令：clang -E main.m懦尝，對源代碼進(jìn)行預(yù)處理知纷。見下面流程:

執(zhí)行指令進(jìn)行預(yù)處理

mainE.m文件查看

2.2 編譯階段

2.2.1 詞法分析

預(yù)處理完成后就會進(jìn)行詞法分析，這里會把代碼切成一個個Token效床，比如大小括號睹酌，等于號以及字符串等。詞法分析指令為：

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

參考下面的案例：

詞法分析案例

2.2.2 語法分析

詞法分析完成之后就是語法分析采章，它的任務(wù)是驗(yàn)證語法是否正確。在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列組合成各類語法短語壶辜，如:程序悯舟，語句，表達(dá)式等等士复，然后將所有節(jié)點(diǎn)組成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree图谷，AST）翩活。語法分析程序判斷源程序在結(jié)構(gòu)上是否正確阱洪。語法分析指令：

clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

參考下面的案例：

語法分析案例

如在源碼中設(shè)置一個語法錯誤捻脖，通過語法分析指令進(jìn)行進(jìn)行編譯锐峭，就會報(bào)錯，見下面案例：

語法錯誤案例

2.2.3 生成中間代碼IR(intermediate representation)

完成以上步驟后可婶，就開始生成中間代碼IR了沿癞，代碼生成器（Code Generation）會將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR。通過下面指令可以生成.ll的文本文件矛渴，查看IR代碼椎扬。

clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m

通過上面的指令獲取main.ll文件，其結(jié)構(gòu)見下圖：

IR代碼查看

• IR的基本語法

  • @ 全局標(biāo)識
  • % 局部標(biāo)識
  • alloca 開辟空間
  • align 內(nèi)存對齊
  • i32 32個bit具温，4個字節(jié)
  • store 寫入內(nèi)存
  • load 讀取數(shù)據(jù)
  • call 調(diào)用函數(shù)
  • ret返回

• IR優(yōu)化
  上面生成的IR代碼是沒有經(jīng)過優(yōu)化的蚕涤，其實(shí)我們在平時閱讀代碼時，經(jīng)常會看下面的一些定義：

#define fastpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 1))
#define slowpath(x) (__builtin_expect(bool(x), 0))

• fastpath：可以理解為快速流程桂躏，對更有可能執(zhí)行的流程進(jìn)行優(yōu)化钻趋，提高運(yùn)行速度；
  slowpath：基本流程剂习，不被優(yōu)化的蛮位。

在XCode中也有相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)置入口：

優(yōu)化入口

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

通過以上指令生成優(yōu)化后IR代碼如下：

生成優(yōu)化后IR代碼

這里需要注意的是控轿，通常debug模式下，優(yōu)化模式選擇None -O0拂封，也就是不優(yōu)化茬射，避免一些保留代碼被屏蔽，從而影響調(diào)試冒签。而release模式設(shè)置為Fastest,Smallest -Os在抛。

• bitCode
Xcode7以后開啟bitCode蘋果會做進(jìn)一步的優(yōu)化，生成.bc的中間代碼萧恕。我們通過優(yōu)化后的IR代碼生成.bc代碼刚梭。對應(yīng)指令為：

clang -emit-llvm -c main.ll -o main.bc

2.3 后端生成匯編代碼

我們通過最終的.bc或者.ll代碼生成匯編代碼：

    clang -S -fobjc-arc main.bc -o main.s
    clang -S -fobjc-arc main.ll -o main.s

生成匯編代碼也可以進(jìn)行優(yōu)化：

    clang -Os -S -fobjc-arc main.m -o main.s

采用相同的案例，分別三種方式生成匯編代碼票唆，可以看到其優(yōu)化效果朴读。在進(jìn)行IR優(yōu)化后生成的.ll文件，依然可以進(jìn)行優(yōu)化生成回應(yīng)的匯編代碼走趋。在不同的節(jié)點(diǎn)上都可以進(jìn)行優(yōu)化衅金。見下圖：

匯編代碼的生成

2.4 生成目標(biāo)文件(匯編器)

目標(biāo)文件的生成，是匯編器以匯編代碼作為輸入吆视，將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼典挑，最后輸出目標(biāo)文件（object file）。指令為：

clang -fmodules -c main.s -o main.o

生成目標(biāo)文件啦吧，見下圖：

生成目標(biāo)文件

    $xcrun nm -nm main.o
            (undefined) external _printf
    0000000000000000 (__TEXT,__text) external _test
    000000000000000a (__TEXT,__text) external _main

• _printf是一個undefifined external的
• undefifined表示在當(dāng)前文件暫時找不到符號_printf
• external表示這個符號是外部可以訪問的

此時就需要鏈接琳水，鏈接器把編譯生成的.o文件和（.dylib .a）文件鏈接生成一個mach-o文件。

    clang main.o -o main

生成對應(yīng)的可執(zhí)行文件般堆，見下圖：

生成可執(zhí)行文件

查看鏈接之后的符號：

$xcrun nm -nm main
        (undefined) external _printf (from libSystem)
        (undefined) external dyld_stub_binder (from libSystem)
0000000100000000 (__TEXT,__text) [referenced dynamically] external __mh_execute_header
000000100000f6d (__TEXT,__text) external _test
000000100000f77 (__TEXT,__text) external _main

可以發(fā)現(xiàn)此時的外部函數(shù)有2個在孝，_printf和dyld_stub_binder，它們都來自libSystem庫淮摔。dyld_stub_binder這個函數(shù)的作用是進(jìn)行運(yùn)行時綁定流程私沮。

鏈接是在編譯時，用來確定外部函數(shù)來自哪個動態(tài)庫和橙；綁定是在運(yùn)行時仔燕，將對應(yīng)方法的實(shí)現(xiàn)地址與符號進(jìn)行綁定造垛。

可執(zhí)行文件運(yùn)行結(jié)果：

可執(zhí)行文件運(yùn)行結(jié)果