深入淺出LLVM

深入淺出LLVM

轉自：https://www.jianshu.com/p/1367dad95445

什么是LLVM？

LLVM項目是模塊化、可重用的編譯器以及工具鏈技術的集合。

美國計算機協會 (ACM) 將其2012 年軟件系統獎項頒給了LLVM，之前曾經獲得此獎項的軟件和技術包括:Java、Apache、 Mosaic、the World Wide Web、Smalltalk、UNIX、Eclipse等等。創始人:Chris Lattner亦是Swift之父。

趣聞：Chris Latter本來只是想寫一個底層的虛擬機，這也是LLVM名字的由來，low level virtual machine，跟Java的JVM虛擬機一樣，可是后來，llvm從來沒有被用作過虛擬機，哪怕LLVM的名氣已經傳開了。所以人們決定仍然叫他LLVM，更多的時候只是當作“商標”一樣的感覺在使用，其實它跟虛擬機沒有半毛錢關系。官方描述如下
The name “LLVM” itself is not an acronym; it is the full name of the project. “LLVM”這個名稱本身不是首字母縮略詞; 它是項目的全名。

編譯器架構

傳統編譯器架構

在這里插入圖片描述

  • Frontend:前端
    詞法分析、語法分析、語義分析、生成中間代碼
  • Optimizer:優化器
    中間代碼優化
  • Backend:后端
    生成機器碼

LLVM架構

在這里插入圖片描述

  • 不同的前端后端使用統一的中間代碼LLVM Intermediate Representation (LLVM IR)

  • 如果需要支持一種新的編程語言，那么只需要實現一個新的前端

  • 如果需要支持一種新的硬件設備，那么只需要實現一個新的后端

  • 優化階段是一個通用的階段，它針對的是統一的LLVM IR，不論是支持新的編程語言，還是支持新的硬件設備，都不需要對優化階段做修改

  • 相比之下，GCC的前端和后端沒分得太開，前端后端耦合在了一起。所以GCC為了支持一門新的語言，或者為了支持一個新的目標平臺，就 變得特別困難

  • LLVM現在被作為實現各種靜態和運行時編譯語言的通用基礎結構(GCC家族、Java、.NET、Python、Ruby、Scheme、Haskell、D等)

什么是Clang

LLVM項目的一個子項目，基于LLVM架構的C/C++/Objective-C編譯器前端。

*相比于GCC，Clang具有如下優點*

  • 編譯速度快:在某些平臺上，Clang的編譯速度顯著的快過GCC(Debug模式下編譯OC速度比GGC快3倍)
  • 占用內存小:Clang生成的AST所占用的內存是GCC的五分之一左右
  • 模塊化設計:Clang采用基于庫的模塊化設計，易于 IDE 集成及其他用途的重用
  • 診斷信息可讀性強:在編譯過程中，Clang 創建并保留了大量詳細的元數據 (metadata)，有利于調試和錯誤報告
  • 設計清晰簡單，容易理解，易于擴展增強

在這里插入圖片描述

LLVM整體架構，前端用的是clang，廣義的LLVM是指整個LLVM架構，一般狹義的LLVM指的是LLVM后端（包含代碼優化和目標代碼生成）。

源代碼（c/c++）經過clang–> 中間代碼(經過一系列的優化，優化用的是Pass) --> 機器碼

OC源文件的編譯過程

這里用Xcode創建一個Test項目，然后cd到main.m的上一路徑。
命令行查看編譯的過程：$ clang -ccc-print-phases main.m

$ 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
  1. 找到main.m文件
  2. 預處理器，處理include、import、宏定義
  3. 編譯器編譯，編譯成IR中間代碼
  4. 后端，生成目標代碼
  5. 匯編
  6. 鏈接其他動態庫靜態庫
  7. 編譯成適合某個架構的代碼

查看preprocessor(預處理)的結果：$ clang -E main.m
這個命令敲出，終端就會打印許多信息，大致如下：

# 1 "main.m"
# 1 "<built-in>" 1
# 1 "<built-in>" 3
# 353 "<built-in>" 3
# 1 "<command line>" 1
# 1 "<built-in>" 2
# 1 "main.m" 2
.
.
.int main(int argc, const char * argv[]) {
@autoreleasepool {NSLog(@"Hello, World!");
}
return 0;
}

詞法分析

詞法分析，生成Token：$ clang -fmodules -E -Xclang -dump-tokens main.m
將代碼分成一個個小單元（token）

舉例如下：

void test(int a, int b){int c = a + b - 3;}

void 'void'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:18:1>
identifier 'test'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:6>
l_paren '('     Loc=<main.m:18:10>
int 'int'       Loc=<main.m:18:11>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:15>
comma ','       Loc=<main.m:18:16>
int 'int'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:18>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:18:22>
r_paren ')'     Loc=<main.m:18:23>
l_brace '{'     Loc=<main.m:18:24>
int 'int'    [StartOfLine] [LeadingSpace]   Loc=<main.m:19:5>
identifier 'c'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:9>
equal '='    [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:11>
identifier 'a'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:13>
plus '+'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:15>
identifier 'b'   [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:17>
minus '-'    [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:19>
numeric_constant '3'     [LeadingSpace] Loc=<main.m:19:21>
semi ';'        Loc=<main.m:19:22>
r_brace '}'  [StartOfLine]  Loc=<main.m:20:1>
eof ''      Loc=<main.m:20:2>

可以看出，詞法分析的時候，將上面的代碼拆分一個個token，后面數字表示某一行的第幾個字符，例如第一個void，表示第18行第一個字符。

AST-抽象語法樹

語法分析，生成語法樹(AST，Abstract Syntax Tree)：$ clang -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

通過語法樹，我們能知道這個代碼是做什么的。

還是剛剛的test函數，生成語法樹如下：

|-FunctionDecl 0x7fa1439f5630 <line:18:1, line:20:1> line:18:6 test 'void (int, int)'
| |-ParmVarDecl 0x7fa1439f54b0 <col:11, col:15> col:15 used a 'int'
| |-ParmVarDecl 0x7fa1439f5528 <col:18, col:22> col:22 used b 'int'
| `-CompoundStmt 0x7fa142167c88 <col:24, line:20:1>
|   `-DeclStmt 0x7fa142167c70 <line:19:5, col:22>
|     `-VarDecl 0x7fa1439f5708 <col:5, col:21> col:9 c 'int' cinit
|       `-BinaryOperator 0x7fa142167c48 <col:13, col:21> 'int' '-'
|         |-BinaryOperator 0x7fa142167c00 <col:13, col:17> 'int' '+'
|         | |-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57b8 <col:13> 'int' <LValueToRValue>
|         | | `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5768 <col:13> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f54b0 'a' 'int'
|         | `-ImplicitCastExpr 0x7fa1439f57d0 <col:17> 'int' <LValueToRValue>
|         |   `-DeclRefExpr 0x7fa1439f5790 <col:17> 'int' lvalue ParmVar 0x7fa1439f5528 'b' 'int'
|         `-IntegerLiteral 0x7fa142167c28 <col:21> 'int' 3`-<undeserialized declarations>

在終端敲出的時候，終端很直觀的幫我們用顏色區分。我們可以用圖形顯示如下：

在這里插入圖片描述

LLVM IR

LLVM IR有3種表示形式（本質是等價的）

  • text:便于閱讀的文本格式，類似于匯編語言，拓展名.ll， $ clang -S -emit-llvm main.m
  • memory:內存格式
  • bitcode:二進制格式，拓展名.bc， $ clang -c -emit-llvm main.m

我們以text形式編譯查看：

; Function Attrs: noinline nounwind optnone ssp uwtable
define void @test(i32, i32) #2 {%3 = alloca i32, align 4%4 = alloca i32, align 4%5 = alloca i32, align 4store i32 %0, i32* %3, align 4store i32 %1, i32* %4, align 4%6 = load i32, i32* %3, align 4%7 = load i32, i32* %4, align 4%8 = add nsw i32 %6, %7%9 = sub nsw i32 %8, 3store i32 %9, i32* %5, align 4ret void
}

IR基本語法

注釋以分號 ; 開頭
全局標識符以@開頭，局部標識符以%開頭
alloca，在當前函數棧幀中分配內存
i32，32bit，4個字節的意思
align，內存對齊
store，寫入數據
load，讀取數據
官方語法參考 https://llvm.org/docs/LangRef.html

應用與實踐

我們的開發都是基于源碼開發，所以我們首先要進行源碼下載和編譯。

源碼下載

# 下載LLVM
$ git clone https://git.llvm.org/git/llvm.git/# 下載clang
$ cd llvm/tools
$ git clone https://git.llvm.org/git/clang.git/# 備注：clang是llvm的子項目，但是它們的源碼是分開的，我們需要將clang放在llvm/tools目錄下。

源碼編譯

這里我們在終端敲出的clang是xcode默認內置clang編譯器，我們自己要進行LLVM開發的話，需要編譯屬于我們自己的clang編譯器。

# 首先安裝cmake和ninja(先安裝brew，https://brew.sh/)
$ brew install cmake
$ brew install ninja# ninja如果安裝失敗，可以直接從github獲取release版放入【/usr/local/bin】中
# https://github.com/ninja-build/ninja/releases# 在LLVM源碼同級目錄下新建一個【llvm_build】目錄(最終會在【llvm_build】目錄下生成【build.ninja】$ cd llvm_build
$ cmake -G Ninja ../llvm -DCMAKE_INSTALL_PREFIX=LLVM的安裝路徑# 備注：生成build.ninja，就表示編譯成功，-DCMAKE_INSTALL_PREFIX 表示編譯好的東西放在指定的路徑，-D表示參數。# 更多cmake相關選項，可以參考: https://llvm.org/docs/CMake.html

接下來依次執行編譯、安裝指令

$ ninja
# 編譯完畢后， 【llvm_build】目錄大概 21.05 G（這個真的是好大啊）
$ ninja install

然后到這里我們的編譯就完成了。

另一種方式是通過Xcode編譯，生成Xcode項目再進行編譯，但是速度很慢(可能需要1個多小時)。

# 方法如下：
# 在llvm同級目錄下新建一個【llvm_xcode】目錄
$ cd llvm_xcode
$ cmake -G Xcode ../llvm

應用與實踐的參考

  • libclang、libTooling
    官方參考:https://clang.llvm.org/docs/Tooling.html
    應用:語法樹分析、語言轉換等
  • Clang插件開發
    官方參考
    1、https://clang.llvm.org/docs/ClangPlugins.html
    2、https://clang.llvm.org/docs/ExternalClangExamples.html
    3、https://clang.llvm.org/docs/RAVFrontendAction.html
    應用:代碼檢查(命名規范、代碼規范)等
  • Pass開發
    官方參考:https://llvm.org/docs/WritingAnLLVMPass.html
    應用:代碼優化、代碼混淆等
  • 開發新的編程語言
    1、 https://llvm-tutorial-cn.readthedocs.io/en/latest/index.html
    2、https://kaleidoscope-llvm-tutorial-zh-cn.readthedocs.io/zh_CN/latest/

參考：
https://juejin.im/post/5bfba01df265da614273939a

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