LLVM概述

LLVM是架構(gòu)編譯器(compiler)的框架系統(tǒng)，以C++編寫而成徐绑，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)、運行時間(run-time)以及空閑時間(idle-time)，對開發(fā)者保持開放劲厌，并兼容已有腳本。
LLVM計劃啟動于2000年听隐，最初由美國UIUC大學(xué)的Chris Latter博士支持開展补鼻。
2006年Chris Latter加盟Apple Inc。并致力于LLVM在Apple開發(fā)體系中的應(yīng)用雅任。Apple也是LLVM計劃的主要資助者风范。
目前LLVM已經(jīng)被蘋果iOS開發(fā)工具、Xilinx Vivado沪么、Facebook硼婿、Google等大公司采用。

傳統(tǒng)編譯器

• 新建一個hello.c文件

#include <stdio.h>
int main (int a, char* argv[]){

        printf("hello \n");
        return 0;

}

• clang hello.c
  

  
  桌面上會生成一個a.out文件
  

• 通過file指令查看a.out

file a.out

a.out: Mach-O 64-bit executable x86_64

可以看到a.out是一個Mach-O格式的64位可執(zhí)行文件成玫，架構(gòu)是x86_64 模擬器可讀加酵。所以Mac電腦可以讀拳喻。

• ./a.out哭当，執(zhí)行這個文件
  
  
  就會打印一個hello

編譯器就是將代碼，轉(zhuǎn)換成CPU能看懂的二進(jìn)制文件冗澈，這里的.out文件也是二進(jìn)制文件

傳統(tǒng)編譯器設(shè)計

編譯器前端(Frontend)
編譯器前端的任務(wù)是解析源代碼钦勘。他會進(jìn)行：詞法分析、語法分析亚亲、語義分析彻采，檢查源代碼是否存在錯誤，然后構(gòu)建抽象語法樹(Abstract Syntax Tree捌归，AST)肛响，LLVM的前端還會生成中間代碼(intermediate representation，IR)惜索。

優(yōu)化器(Optimizer)
優(yōu)化器負(fù)責(zé)進(jìn)行各種優(yōu)化特笋。改善代碼的運行時間，例如消除冗余計算等巾兆。

后端(Backend) / 代碼生成器(CodeGenerator)
將代碼映射到目標(biāo)指令集猎物。生成機器語言虎囚，并且進(jìn)行機器相關(guān)的代碼優(yōu)化。

iOS編譯器架構(gòu)

Objective-C/C/C++使用的編譯器前端是clang蔫磨，Swift是swift淘讥，后端都是LLVM。

LLVM的設(shè)計

當(dāng)編譯器決定支持多種源語言或多種硬件架構(gòu)時堤如，LLVM最重要的地方就來了蒲列。其他的編譯器如GCC，它非常成功搀罢，但由于它是作為整體應(yīng)用程序設(shè)計的嫉嘀，因此他們的用途受到了很大的限制。

LLVM最重要的方面是魄揉，使用通用的代碼表示形式（IR）剪侮，它是用來在編譯器中表示代碼的形式。所以LLVM可以為任何編程語言獨立編寫前端洛退，并且可以為任意硬件架構(gòu)獨立編寫后端瓣俯。

clang

clang是LLVM項目中的一個子項目。它是基于LLVM架構(gòu)的輕量級編譯器兵怯，誕生之初是為了替代GCC彩匕，提供更快的編譯速度。它是負(fù)責(zé)編譯C媒区、C++驼仪、Objective-C語言的編譯器，它屬于整個LLVM架構(gòu)中的袜漩，編譯器前端绪爸。對于開發(fā)者來說，研究clang可以給我們帶來很多好處宙攻。

編譯流程

通過命令可以打印源碼的編譯階段

• 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

總共有這7個階段奠货。
0：輸入文件：找到源文件
1：預(yù)處理階段：這個過程處理包括宏的替換，頭文件的導(dǎo)入座掘。
2：編譯階段：進(jìn)行詞法分析递惋、語法分析、檢測語法是否正確溢陪，最終生成IR
3：后端：這里L(fēng)LVM會通過一個一個的Pass去優(yōu)化萍虽，每個Pass做一些事情，最終生成匯編代碼形真。
4：生成目標(biāo)文件杉编。
5：鏈接：鏈接需要的動靜態(tài)庫，生成可執(zhí)行文件。
6：通過不同的架構(gòu)王财，生成對應(yīng)的可執(zhí)行文件卵迂。

預(yù)處理階段
執(zhí)行如下命令

• clang -E main.m
• clang -E main.m >> xxxx.m

執(zhí)行完畢可以看到頭文件的導(dǎo)入和宏的替換。

typedef int LY_INT_32 ; typedef不會被替換
#define isVip wee68990 可以用來做混淆

編譯階段

• 詞法分析
  預(yù)處理完成后就會進(jìn)行詞法分析绒净。這里會把代碼切成一個個Token见咒，比如大小括號，等于號還有字符串等挂疆。

  • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m
一個符號一個符號分析

• 語法分析
  詞法分析完成之后就是語法分析改览，它的任務(wù)是驗證語法是否正確。在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列組合成各類語法短語缤言。如“程序”宝当，“語句”，“表達(dá)式等等”胆萧，然后將所有結(jié)點組成抽象語法樹(Abstract Syntax Tree, AST)庆揩。語法分析程序判斷程序在結(jié)構(gòu)上是否正確。

  • clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m
    如果導(dǎo)入頭文件找不到跌穗，那么可以指定SDK
  • clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/ iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator12.2.sdk(自己SDK的路徑) -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

• 生成中間代碼IR(intermediate representation)
  完成以上步驟后就開始生成中間代碼IR了订晌，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。通過下面的命令可以生成.ll的文本文件蚌吸，查看IR代碼锈拨。

  • clang -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m
Objective-C代碼在這一步會進(jìn)行runtime的橋接：property合成，ARC處理等羹唠。
    

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奕枢，4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的優(yōu)化
LLVM的優(yōu)先級別分別是 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os（第一個是大寫字母O）
-clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main.ll

也可以在Xcode中可以設(shè)置

bitCode
Xcode7之后開啟bitCode，蘋果會做進(jìn)一步的優(yōu)化佩微。生成.bc的中間代碼缝彬。
我們通過優(yōu)化后的IR代碼生成.bc代碼

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

• 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

• 生成目標(biāo)文件（匯編器）
  目標(biāo)文件的生成，是以匯編器以匯編代碼作為輸入喊衫，將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機器代碼跌造，最后輸出目標(biāo)文件（object file）。

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

通過nm命令族购，查看下main.o中的符號

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

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

• 生成可執(zhí)行文件（鏈接）
  鏈接器把編譯產(chǎn)生的.o文件和（.dylib .a）文件生成一個mach-O文件
  • clang main.o -o main

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