二、LLVM 系统架构
LLVM 系统围绕着多阶段编译方法而设计，本章描述 LLVM 系统各个组件的设计与接口。该编译策略的独特之处在于，在应用整个生命周期内，进行积极的优化，并保证实用性。
2.1 基于 LLVM 的编译器的高级设计
与当前编译系统相比，LLVM 系统被设计用于，在链接时、运行时、软件安装之后，进行更加复杂的转换。为了保证在实际环境中可部署性，LLVM 编译器必须能和已有的构建模式很好的集成在一起，必须在常见的场景中足够高效。这部分描述编译的整体方案，阐述如何解决这些需求。2.1 是 LLVM 系统的整体架构图：
传统编译器会把编译过程划分为两个阶段：编译和链接，每个阶段可独立地编译，只有被修改的翻译单元需要重新编译（这时需要重新链接整个程序）。传统编译器会把源代码编译成，包含机器码的目标文件（.o文件），链接器会把目标文件和库组合到一起，形成一个可执行程序。在简单系统中，链接器的作用只是组合目标文件和解析标号引用而已。
LLVM 保留了编译时和链接时划分，继续使用编译分离的优势。但 LLVM 不会将源码直接编译成机器码，其静态编译器前端后生成 LLVM 虚拟指令集（可参考 2.2）。LLVM 优化链接器（可参考 2.3）会组合这些 LLVM 目标文件，优化它们，并最终把它们集成为一个本地可执行文件，并写入磁盘。目标文件中存储虚拟指令，可在链接时进行复杂的过程间优化（这是最为高效的地方）。
优化链接器写入的可执行文件，包含本地机器码，可直接在宿主机架构上执行，同时也会包含一份应用程序的 LLVM 字节码。当应用在执行时，一个运行时优化器可监视程序的执行，收集有关应用使用模式的描述信息。
从应用行为检测到的优化机会，能引发运行时再优化器动态地重新编译和再优化应用的部分（使用存储的 LLVM 字节码）。然而，某些转变对于运行时来说代价太高，LLVM 采用在机器空闲时使用离线优化器处理这样的优化：使用积极的过程间优化技术和精确的描述信息（根据当前用户的使用模式最近使用模式生产）重新编译应用。
高级 LLVM 系统设计的关键点在于，使用 LLVM 虚拟指令集在不同的工具间通信（第三章），并且 LLVM 的工具要适应标准的开发框架。使用标准的表现允许系统中不同组件直接进行转换的共享。
2.2 编译时：编译前端与静态优化器
LLVM 系统支持多种语言前端，编译前端会把对应的语言翻译成 LLVM 虚拟指令集。每个静态编译器，会在每个翻译单元上执行尽可能多的优化操作，降低链接时优化器的工作量。
LLVM 字节码存储在可执行文件的一个特殊的节（section）中，当运行时优化器访问它时，才会读入内存
语言前端的主要工作是，把源语言转变为 LLVM 虚拟指令集，也可以执行语言特定的优化。如一个 C 或 C++ 的前端，可以把 “printf("hello\n");” 优化为 “puts("hello");”，因为 printf 函数的高级语意是由 C 语言定义的。
所有的 LLVM 转变都是模块化的、共享的，静态编译器可以选择使用某些或是全部的转变，来提高代码生成能力。链接时优化器使用的过程间优化也是共享的可供静态编译器使用，同时过程间优化可用于，翻译单元的更多限制性的范围和链接时更大的范围（翻译的不准确）。
Note that this includes the interprocedural optimizations used by the link-time op- timizer, which may be used on the more limited scope of a translation unit as well as the larger scope at link-time.
LLVM 虚拟机指令集设计的关键点是，通过共用的低级类型系统，支持任意源语言的能力。与高级虚拟机不同，LLVM 类型系统不指明目标模型、内存管理系统、特定异常语义。相反，LLVM 只直接支持低级类型构造函数，如指针、结构体、数组，依靠源语言把高级类型系统映射到低级类型。LLVM 因此做到了语言无关，类似于微处理器中所有的高级特性都映射到简单的结构中一样。
2.3 链接时：链接器与过程间优化器
在编译过程中，链接时是第一个可获得程序的大量组件进行分析和转换的阶段。因此，LLVM 优化链接器是整个程序范围内，一个最适合进行积极的过程间优化的地方。
在链接时，共享库和系统库不可获得
LLVM 中的所有的转换操作，都被模块化。LLVM 优化链接器可以使用传统的标量优化（被静态编译器使用）来清理大规模的过程间优化。与静态编译器一样，链接时优化直接操作 LLVM 字节码，能利用编码到其中的高级信息使它们更加有效。如第 4.3 节中描述的自动池分配转换，需要 LLVM 提供的类型信息。而第 4.2 节中的数据结构分析转换，由于 SSA 使用了 LLVM 虚拟指令集，而更加精确。
SSA
编译时和链接时优化器的设计，允许应用一种众所周知的技术，来加速过程间分析：编译时可以为程序中的每个函数计算过程间摘要，并附加到 LLVM 字节码中。链接时过程间优化器，可以将这些过程间摘要作为输入进行处理，避免从头开始计算结果。当只需重新编译几个翻译单元时，这种技术减少了分析的总量，节省大量的编译时间[7]。
链接时优化完成后，选择适合目标的代码生成器，将 LLVM 码转换为当前平台的本机代码。如果用户决定使用后置链接优化器，压缩的 LLVM 字节码的副本将包含在可执行文件本身中。将字节码直接包含在生成的可执行文件中，可以消除运行时或离线优化器，获取错误字节码的可能性。
2.4 运行时：描述信息与重优化
LLVM 工程的一个关键目标是为运行时优化开发出一个新的策略。该策略是根据运行时收集描述信息的模型而建立，用来控制使用 LLVM 字节码进行再优化和重编译。
2.4.1 运行时收集描述信息
避免传统的使用描述文件指导的优化，是 LLVM 系统的一个重要的目标。传统的基于描述文件的优化有两个缺点：描述文件记录了开发人员使用应用的模式，开发者几乎不用描述信息指导的反馈信息。使用运行时的描述信息消除了上面两个不足，同时开发者不需要做任何事情。
在这个过程中没有构建程序数据库或是延迟输入源码的编译，这消除了程序数据库与目标文件的同步问题
运行时重优化器会使用多种不同的技术收集描述信息，从 PC 采样技术[2]，到路径描述[6]。在应用程序的声明周期内，运行时优化器将最终进入休眠（dormant），只有在出现强阶段行为（strong phase behaviors）发生时才改变程序。
2.4.2 LLVM 运行时优化方法
与其它基于虚拟机的系统不同，LLVM 运行时优化器，可直接在预编译的本机代码上执行轻量级的优化，同时引用 LLVM 字节码，以获取有关数据流和类型的高级信息。可通过详细的映射信息，程序的本地机器码和 LLVM 字节码表现之间的映射，开启运行时优化。
该信息允许简单的转换，如代码布局，被安全（归因于 LLVM 码的控制流信息）且高效（因为机器代码已经生成）地实现。更积极的转换（如基于值分析[8]的结果）可能修改程序的 LLVM 字节码，并根据字节码重新生成机器代码。对于中等复杂度的优化，这种方法是有用的，而对于非常昂贵的优化，需要使用离线优化器。
2.5 系统空闲时：离线优化器
某些类型的应用不适合运行时优化：通常会有大量的代码，但是没有任何代码是高频运行的。因此，运行时优化器无法拿出足够的时间来优化任何代码段，尽管它可以检测到经常执行的代码段。
为了支持这类的应用类型和可能需要大量分析的优化，LLVM 提供了离线优化器。当程序空闲时，系统会自动执行离线优化器，进行比运行时优化器更加积极的优化。
离线优化器综合运用运行，时优化器收集到的描述信息和 LLVM 字节码，对应用进行再优化和重编译。这样既避免了与应用竞争宝贵的处理器时间，也可完成描述信息驱动的过程间优化。随着应用使用模式的改变，运行时与离线优化器协作，确保应用程序发保持最高性能。
资料
juejin.cn/post/687549… 第一章（翻译）
LLVM- An Infrastructure for Multi-Stage Optimization LATTNER 硕士论文
