LLVM

LLVM是架構(gòu)編譯器（compiler）的框架系統(tǒng)申眼，由C++編寫完成，用于優(yōu)化已任意程序編寫的程序的編譯時(shí)間（compile-time）争拐、鏈接時(shí)間（link-time）辰妙、運(yùn)行時(shí)間（run-time）以及空閑時(shí)間（idle-time），對(duì)開發(fā)者保持開放碉输，并兼容已有腳本

傳統(tǒng)編譯器設(shè)計(jì)

• 編譯器前端（Frontend）：負(fù)責(zé)解析源代碼，它會(huì)進(jìn)行詞法分析亭珍、語法分析敷钾、語義分析和檢查源代碼是否存在錯(cuò)誤，然后構(gòu)建抽象語法樹（Abstract Syntax Tree,AST）肄梨，LLVM會(huì)生成中間代碼(intermediate representation IR)

• 優(yōu)化器（Optimizer）：負(fù)責(zé)進(jìn)行各種優(yōu)化，改善代碼的運(yùn)行時(shí)間众羡，例如消除冗余計(jì)算等

• 后端（Backend）/代碼生成器（CodeGenerator）：將代碼映射到目標(biāo)指令集。生成機(jī)器語言纱控，并進(jìn)行機(jī)器相關(guān)的代碼優(yōu)化

傳統(tǒng)編譯器設(shè)計(jì)

iOS的編譯器架構(gòu)

OC/C/C++使用的編譯器前端是Clang，swift前端是Swift舶掖，后端都是LLVM，Clang會(huì)生成中間代碼(intermediate representation IR)

iOS編譯器架構(gòu)

LLVM設(shè)計(jì)

使用通用的代碼表示形式(IR)眨攘，用來在編譯器中表示代碼的形式，所有LLVM可以為任何編程語言獨(dú)立編寫前端嚣州，并且可以為任意硬件架構(gòu)獨(dú)立編寫后端

LLVM

Clang簡介

Clang是LLVM項(xiàng)目中的子項(xiàng)目鲫售，基于LLVM架構(gòu)的輕量級(jí)編譯器，誕生之初是為了替代GCC该肴，提高更快的編譯速度情竹。它是負(fù)責(zé)編譯C、C++匀哄、Object-C語言的編譯器秦效，在整個(gè)LLVM架構(gòu)中屬于編譯器前端

編譯流程

• 單獨(dú)新建一個(gè)main.m文件

int test(int a,int b){
    return a + b + 3;
}

int main(int argc, const char * argv[]) {
    int a = test(1, 2);
    printf("%d",a);
    return 0;[圖片上傳中...(image.png-1984f6-1624280414052-0)]

}

• 通過命令clang -ccc-print-phases main.m
  
  LLVM編譯流程

//輸入文件：找到源文件
+- 0: input, "main.m", objective-c
//預(yù)處理階段：處理包括宏的替換雏蛮，頭文件的導(dǎo)入
+- 1: preprocessor, {0}, objective-c-cpp-output
//編譯階段：進(jìn)行詞法、語法分析阱州，檢測語法是否正確挑秉，最終生成IR
+- 2: compiler, {1}, ir
//后端：LLVM會(huì)通過一個(gè)一個(gè)的Pass去優(yōu)化，每個(gè)Pass做些事情苔货，最終生成匯編代碼
+- 3: backend, {2}, assembler
//生成目標(biāo)文件
+- 4: assembler, {3}, object
//鏈接：鏈接需要的動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫犀概，生成可執(zhí)行文件
+- 5: linker, {4}, image
//通過不同的架構(gòu)，生成對(duì)應(yīng)的可執(zhí)行文件
6: bind-arch, "x86_64", {5}, image

1夜惭、預(yù)處理階段

預(yù)處理階段是進(jìn)行宏的替換和頭文件的導(dǎo)入姻灶，我們可以通過下面命令來查看導(dǎo)入和替換情況

//在終端直接查看替換結(jié)果
clang -E main.m

//生成對(duì)應(yīng)的文件查看替換后的源碼
clang -E main.m >> main2.m

• typedef給數(shù)據(jù)類型取別名時(shí)，在預(yù)處理階段不會(huì)被替換
• define的取的別名在預(yù)處理階段會(huì)被替換诈茧，所有我們可以用這方法來進(jìn)行關(guān)鍵代碼混淆木蹬，例如將關(guān)鍵類和方法用系統(tǒng)類似的名稱取別名

2、編譯階段

編譯階段主要是進(jìn)行：詞法若皱、語法分析和代碼錯(cuò)誤檢查，然后生成中間代碼IR

（1）詞法分析

預(yù)處理完成后就會(huì)進(jìn)行詞法分析尘颓，會(huì)把代碼切成一個(gè)個(gè)Token走触，比如大小括號(hào)，等于號(hào)還有字符串等

• 通過下面命令查看詞法分析后結(jié)果

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

詞法分析

• 如果頭文件找不到疤苹，我們可以通過下面命令指定sdk

clang -isysroot （自己SDK路徑） -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -dump-tokens main.m

（2）語法分析

驗(yàn)證語法是否正確互广，在詞法分析的基礎(chǔ)上將單詞序列組合成各類語法短語，如程序卧土、語句惫皱、表達(dá)式等等，然后將所有節(jié)點(diǎn)組成抽象語法樹（Abstract Syntax Tree,AST）尤莺。語法分析程序判斷源程序在結(jié)構(gòu)上是否正確

• 我們可以通過下面命令查看語法分析的結(jié)果

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

語法分析

• 如果導(dǎo)入頭文件找不到媳谁，可以指定SDK

clang -isysroot /Applications/Xcode.app/Contents/Developer/Platforms/iPhoneSimulator.platform/Developer/SDKs/iPhoneSimulator14.1.sdk/ -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

下面是幾個(gè)關(guān)鍵字的含義

• -FunctionDecl 函數(shù)
• -ParmVarDecl 參數(shù)
• -CallExpr 調(diào)用一個(gè)函數(shù)
• -BinaryOperator 運(yùn)算符

（3）生成中間代碼IR

代碼生成器（Code Generaltion）會(huì)將語法樹自頂向下遍歷逐步翻譯成LLVM IR晴音，OC代碼會(huì)在這一步進(jìn)行runtime的橋接：property合成缔杉，ARC處理等

• 我們可以通過下面命令生成.ll的文本文件或详，來查看IR代碼

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

IR基本語法
@ 全局標(biāo)識(shí)
% 局部標(biāo)識(shí)
alloca 開辟空間
align 內(nèi)存對(duì)齊
i32 32bit，4個(gè)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代碼

• IR文件在OC中是可以進(jìn)行優(yōu)化的拣宏，一般設(shè)置是在target - Build Setting - Optimization Level（優(yōu)化器等級(jí)）中設(shè)置勋乾。LLVM的優(yōu)化級(jí)別分別是-O0 -O1 -O2 -O3 -Os(第一個(gè)是大寫英文字母O)嗡善，下面是帶優(yōu)化的生成中間代碼IR的命令

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

優(yōu)化后的IR代碼

• xcode7以后開啟bitcode各吨，蘋果會(huì)做進(jìn)一步優(yōu)化揭蜒，生成.bc的中間代碼剔桨，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

.bc代碼

3瑰谜、后端

LLVM在后端主要是會(huì)通過一個(gè)個(gè)的Pass去優(yōu)化萨脑，每個(gè)Pass做一些事情饺饭，最終生成匯編代碼

• 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

• 生成的匯編代碼也可以進(jìn)行優(yōu)化

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

匯編代碼main.s

4瘫俊、生成目標(biāo)文件

是匯編器以匯編代碼作為插入军援，將匯編代碼轉(zhuǎn)換為機(jī)器代碼胸哥，最后輸出目標(biāo)文件（object file）

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

• 通過nm命令，查看main.o中的符號(hào)

xcrun nm -nm main.o

main.o中的符號(hào)

• external表示這個(gè)符號(hào)是可以外部訪問的
• _printf函數(shù)是一個(gè)是undefined 银酬、external 的
• undefined表示在當(dāng)前文件暫時(shí)找不到符號(hào)_printf

5揩瞪、鏈接

鏈接主要是鏈接需要的動(dòng)態(tài)庫和靜態(tài)庫

• 靜態(tài)庫和可執(zhí)行文件合并
• 動(dòng)態(tài)庫是獨(dú)立鏈接

鏈接器會(huì)吧編譯生成的.o文件和(.dylib.a)文件李破，生成一個(gè)mach-o文件

clang main.o -o main

查看鏈接后的符號(hào)

xcrun nm -nm main

如下所示嗤攻，其中undefined表示會(huì)在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)綁定

mach-o文件符號(hào)

6妇菱、綁定

綁定主要是通過不同的架構(gòu)暴区，生成對(duì)應(yīng)的mach-o格式可執(zhí)行文件

總結(jié)

LLVM編譯流程