iOS LLVM及编译过程优化器端的任务是改善代码的运行时间，例如消除冗余运算等。 OC、c、c++ 使用的编译器前端是

LLVM概述

LLVM 是以 C++ 编写的架构编译器（compiler）的框架系统
从以下方面优化任意语言编写的的程序
- 编译时间 compile time
- 链接时间 link time
- 运行时间 run time
- 空闲时间 idle time

传统编译器设计

编译器前端 `Frontend`

编译器前端的任务是 解析源代码

检查代码正确性
- 词法分析
- 语法分析
- 语义分析
构建抽象语法树
LLVM的前端还会生成 中间代码（intermediate representation，IR）

优化器 `Optimizer`

优化器端的任务是改善代码的运行时间，例如消除冗余运算等。

编译器后端 `Backend` / 代码生成器`CodeGenerator`

将代码映射到目标指令集
生成机器语言
机器相关的代码优化

iOS的编译器架构

OC、c、c++ 使用的编译器前端是clang；Swift使用的是Swift；后端都是LLVM。

LLVM的设计

传统的编译器设计把前端、优化器、后端集成在一起，需要支持新语言或新硬件结构时就必须重新开发一套编译器。LLVM的设计模式很好的解决了这种不便。

LLVM的编译器前端会生成通用的中间代码（intermediate respresentation IR）
优化器对中间代码处理不需要改变
需要支持新语言时只需要单独开发前端
需要支持新架构时只需要单独编写后端

Clang

LLVM中的一个子项目
基于LLVM的轻量级编译器
替代GCC，提供更快的编译速度
负责编译OC、C、C++
LLVM架构的编译器前端

编译流程

打印编译流程

clang -ccc-print-phases main.m

0、输入文件：找到源文件
1、预处理：包括替换宏和导入头文件
2、编译阶段：词法分析、语法分析、语义分析，最终生成IR
3、后端：通过一个个Pass去优化，每个Pass完成一部分功能，最终生成汇编代码
4、生成目标文件
5、链接：链接需要的动态库和静态库，生成目标文件
6、通过不同架构，生成对应的可执行文件

预处理

clang -E main.m

执行后可以看到头文件导入以及宏被替换。

词法分析

预处理后会进行词法分析，词法分析会把代码切片成一个个token。

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

执行后可以看到每个词(token)所在的位置

语法分析

语法分析会验证语法是否正确，在词法分析的基础上把单词组合成各种语法短语，然后把节点组成抽象的语法树（Abstract Syntax Tree，AST）

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

如果找不到头文件，可以手动导入SDK

clang -isysroot SDK路径 -fmodules -fsyntax-only	-Xclang	-ast-dump main.m

生成中间代码IR（intermediate representation）

处理完上述步骤，代码生成器(Core Generator)会根据语法树自顶向下生成LLVM IR。OC会在这里进行runtime的桥接：property的合成、ARC处理等。

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

LLVM的优化级别有 -O0 -O1 -O2 -O3 -Os

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

执行指令可以得到.ll文件

IR基本语法

@       全局标示
%       局部标示
alloca  开辟空间
align   字节对齐
i32     32位，4字节
store   写入内存
load    读取数据
call    调用函数
ret     return

查看未优化的main.ll

优化后的main.ll

bitCode

xcode7以后开启了bitCode，苹果对代码做了进一步优化并生成.bc文件。通过.ll文件生成.bc文件。

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

生成汇编代码

可以通过.bc或.ll文件生成汇编代码

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

生成汇编代码的时候也可以进行优化

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

生成目标文件

输入汇编代码，转化成机器代码，最后输出目标文件。

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

查看main.o中的符号

xcrun nm -nm main.o

可以看到print函数、test函数、main函数

_printf 可以看到 undefined extranal 标示
undefined 代表它在当前文件找不到
extranal 代表它可以外部访问

生成可以执行文件

把编译的.o文件和dylib.a文件连接，生成mach-o文件

clang	main.o	-o	main

执行可执行文件，可以看见输出了正确结果

iOS LLVM及编译过程