什么是LLVM
- LLVM項(xiàng)目是模塊化友存、可重用的編譯器以及工具鏈技術(shù)的集合
- The LLVM Project is a collection of modular and reusable compiler and toolchain technologies.
- 官網(wǎng):https://llvm.org/
- 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蛋逾，之前曾經(jīng)獲得此獎(jiǎng)項(xiàng)的軟件和技術(shù)包括:Java茸苇、Apache埃跷、 Mosaic墩崩、the World Wide Web盯荤、Smalltalk典唇、UNIX镊折、Eclipse等等
- 有些文章把LLVM當(dāng)做Low Level Virtual Machine(低級(jí)虛擬機(jī))的縮寫簡(jiǎn)稱，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)
image.png
- Frontend:前端
詞法分析介衔、語(yǔ)法分析恨胚、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)
image.png
- 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)言炎咖，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)備与纽，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)通用的階段侣签，它針對(duì)的是統(tǒng)一的LLVM IR，不論是支持新的編程語(yǔ)言急迂，還是支持新的硬件設(shè)備影所，都不需要對(duì)優(yōu)化階段做修改
- 相比之下，GCC的前端和后端沒(méi)分得太開(kāi)僚碎，前端后端耦合在了一起猴娩。所以GCC為了支持一門新的語(yǔ)言，或者為了支持一個(gè)新的目標(biāo)平臺(tái)勺阐，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家族卷中、Java、.NET渊抽、Python蟆豫、Ruby、Scheme懒闷、Haskell十减、D等)
什么是Clang?
- LLVM項(xiàng)目的一個(gè)子項(xiàng)目
- 基于LLVM架構(gòu)的C/C++/Objective-C編譯器前端
- 官網(wǎng):http://clang.llvm.org/
- 相比于GCC，Clang具有如下優(yōu)點(diǎn)
- 編譯速度快:在某些平臺(tái)上愤估，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)帮辟，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)玩焰，有利于調(diào)試和錯(cuò)誤報(bào)告
-
設(shè)計(jì)清晰簡(jiǎn)單由驹，容易理解，易于擴(kuò)展增強(qiáng)
image.png - 廣義的LLVM
整個(gè)LLVM架構(gòu) - 狹義的LLVM
LLVM后端(代碼優(yōu)化昔园、目標(biāo)代碼生成等)
image.png
- clang 前端
- IR 代表代碼層
- Pass代表優(yōu)化
OC源文件的編譯過(guò)程
一.編譯
- 命令行查看編譯的過(guò)程:$ clang -ccc-print-phases main.m
- 下面我們來(lái)分析代碼
#import <Foundation/Foundation.h>
int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {
// insert code here...
NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}
//編譯之后的代碼
0: input, "main.m", objective-c //聲明
1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output // //預(yù)處理
2: compiler, {1}, ir //編譯生成IR(中間代碼)
3: backend, {2}, assembler //匯編器生成匯編代碼
4: assembler, {3}, object //目標(biāo)代碼生成機(jī)器碼
5: linker, {4}, image // 靜態(tài)庫(kù),動(dòng)態(tài)庫(kù)鏈接
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image //可執(zhí)行文件
編譯器前端的工作
- 編譯器前端的任務(wù)是進(jìn)行：語(yǔ)法分析蔓榄，語(yǔ)義分析，生成中間代碼(intermediate representation )默刚。在這個(gè)過(guò)程中润樱，會(huì)進(jìn)行類型檢查，如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤或者警告會(huì)標(biāo)注出來(lái)在哪一行羡棵。
二.preprocessor(預(yù)處理)
#import <Foundation/Foundation.h>
#define AGE 40
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a = 10;
int b = 10;
int c = a + b + AGE;
return 0;
}
preprocessor 預(yù)處理的結(jié)果
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a = 10;
int b = 10;
int c = a + b + 40;
return 0;
}
//預(yù)處理就已經(jīng)把宏替換了
- 查看preprocessor(預(yù)處理)的結(jié)果:$ clang -E main.m
三.詞法分析
- 詞法分析壹若，生成Token: $ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
annot_module_include '#import <Foundation/Foundation.h>
#define AGE 40
int main(int argc, const char * argv[]) {
int a = 10;
int b = 10;
in' Loc=<main.m:9:1> //第9行的第1個(gè)字符
int 'int' [StartOfLine] Loc=<main.m:13:1> //第13行的第一個(gè)1字符
identifier 'main' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:5>
l_paren '(' Loc=<main.m:13:9>
int 'int' Loc=<main.m:13:10>
identifier 'argc' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:14>
comma ',' Loc=<main.m:13:18>
const 'const' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:20>
char 'char' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:26>
star '*' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:31>
identifier 'argv' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:33>
l_square '[' Loc=<main.m:13:37>
r_square ']' Loc=<main.m:13:38>
r_paren ')' Loc=<main.m:13:39>
l_brace '{' [LeadingSpace] Loc=<main.m:13:41>
int 'int' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:5>
identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:9>
equal '=' [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:11>
numeric_constant '10' [LeadingSpace] Loc=<main.m:15:13>
semi ';' Loc=<main.m:15:15>
int 'int' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:5>
identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:9>
equal '=' [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:11>
numeric_constant '10' [LeadingSpace] Loc=<main.m:16:13>
semi ';' Loc=<main.m:16:15>
int 'int' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:5>
identifier 'c' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:9>
equal '=' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:11>
identifier 'a' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:13>
plus '+' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:15>
identifier 'b' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:17>
plus '+' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:19>
numeric_constant '40' [LeadingSpace] Loc=<main.m:17:21 <Spelling=main.m:11:13>>
semi ';' Loc=<main.m:17:24>
return 'return' [StartOfLine] [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:5>
numeric_constant '0' [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:12>
semi ';' Loc=<main.m:18:13>
r_brace '}' [StartOfLine] Loc=<main.m:20:1>
eof '' Loc=<main.m:20:2>
將代碼分成一段一段的token
五.語(yǔ)法樹(shù)-AST
- clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
//源代碼
void test(int a, int b){
int c = a + b -3;
}
//轉(zhuǎn)換為語(yǔ)法樹(shù)之后
-FunctionDecl 0x7fa7f0184300 <line:22:1, line:24:1> line:22:6 test 'void (int, int)' //
| |-ParmVarDecl 0x7fa7f0184180 <col:11, col:15> col:15 used a 'int'
| |-ParmVarDecl 0x7fa7f01841f8 <col:18, col:22> col:22 used b 'int'
| `-CompoundStmt 0x7fa7f0184540 <col:24, line:24:1>
| `-DeclStmt 0x7fa7f0184528 <line:23:5, col:21>
| `-VarDecl 0x7fa7f01843d8 <col:5, col:20> col:9 c 'int' cinit
| `-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'
| |-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'
| | |-ImplicitCastExpr 0x7fa7f0184488 <col:13> 'int' <LValueToRValue>
| | | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'
| | `-ImplicitCastExpr 0x7fa7f01844a0 <col:17> 'int' <LValueToRValue>
| | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'
| `-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3
- FunctionDecl下有三個(gè)節(jié)點(diǎn) ParmVarDecl, ParmVarDecl, CompoundStmt
- FunctionDecl test函數(shù)
- ParmVarDecl 參數(shù)a
- ParmVarDecl 參數(shù)b
- CompoundStmt 語(yǔ)句(也就是具體的代碼)
- VarDecl 符合的聲明
`-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'
| |-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'
| | |-ImplicitCastExpr 0x7fa7f0184488 <col:13> 'int' <LValueToRValue>
| | | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'
| | `-ImplicitCastExpr 0x7fa7f01844a0 <col:17> 'int' <LValueToRValue>
| | `-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'
| `-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3
單獨(dú)分析一下這段代碼
//- 13-20里面裝著 - 號(hào)
-BinaryOperator 0x7fa7f0184500 <col:13, col:20> 'int' '-'
//減號(hào)前面是3
`-IntegerLiteral 0x7fa7f01844e0 <col:20> 'int' 3
//13-17里面是+
|-BinaryOperator 0x7fa7f01844b8 <col:13, col:17> 'int' '+'
//13 是a
`-DeclRefExpr 0x7fa7f0184438 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f0184180 'a' 'int'
//17是b
`-DeclRefExpr 0x7fa7f0184460 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa7f01841f8 'b' 'int'
- 整合一起就是a+b-3
image.png
前端代碼已經(jīng)完成(就會(huì)生成中間代碼IR)
中間代碼IR
LLVM IR
- LLVM IR有3種表示形式(但本質(zhì)是等價(jià)的，就好比水可以有氣體皂冰、液體店展、固體3種形態(tài))
- text:便于閱讀的文本格式，類似于匯編語(yǔ)言秃流，拓展名.ll赂蕴， $ clang -S -emit-llvm main.m
- memory:內(nèi)存格式
- bitcode:二進(jìn)制格式，拓展名.bc舶胀， $ clang -c -emit-llvm main.m
; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define void @test(i32, i32) #0 { //(int a, int b)
%3 = alloca i32, align 4 // int a
%4 = alloca i32, align 4 // int d
%5 = alloca i32, align 4 // int e
store i32 %0, i32* %3, align 4 // c = a
store i32 %1, i32* %4, align 4 // d = b
%6 = load i32, i32* %3, align 4 //a
%7 = load i32, i32* %4, align 4 //b
%8 = add nsw i32 %6, %7 // a+b
%9 = sub nsw i32 %8, 3 //a+b -3
store i32 %9, i32* %5, align 4 //e = a+b-3
ret void
}
}
IR基本語(yǔ)法
- 官方參考文檔 https://llvm.org/docs/LangRef.html
- 注釋以分號(hào) ; 開(kāi)頭
- 全局標(biāo)識(shí)符以@開(kāi)頭概说，局部標(biāo)識(shí)符以%開(kāi)頭
- alloca碧注，在當(dāng)前函數(shù)棧幀中分配內(nèi)存
- i32，32bit糖赔，4個(gè)字節(jié)的意思
- align萍丐，內(nèi)存對(duì)齊
- store，寫入數(shù)據(jù)
- load放典，讀取數(shù)據(jù)
- add, 相加
- sub, 減
- 每一步分析我都寫在注釋上了
LLVM源碼下載
- git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/
未完待續(xù)......
