LLVM介绍

LLVM的设计

Clang

iOS编绎器架构

Object-C/C/C++使用的编辑器前端是Clang,swift是Swift,后端都是LLVM。

编绎流程

创建一个工程

终端cd到main.m所在的目录,输入如下指令:

clang -ccc-print-phases main.m

效果如下：

0:输入文件，找到源文件；

1:预处理阶段：包括宏的替换和头文件的导入等

2:编绎阶段：进行词法分析、语法分析和语义分析，最终生成中间代码（IR）

3:后端代码生成器：生成机器语言，并且进行机器相关的代码优化；LLVM会对一个个的pass进行优化，每个pass做一些事情，最终生成汇编代码；

4:生成目标文件；

5:链接：链接动态库和静态库，生成可执行文件；

6:通过不同的架构，生成对应的可执行文件。

预处理阶段

首先看看main.m的内容

使用如下命令对main.m进行预处理:

clang -E main.m >> main2.m

得到的结果如下：

可以看到原来main.m中短短的几行代码经过预编绎处理后变成了1113行代码；

#import <stdio.h>将stdio.h里面的内容copy到了main2.m文件中，增加的这么代码主要是它里面的代码；

#define C 30在预编绎时会把代码中用到的C替换成30;

typedef int JS_INT ;不会在预编绎时把JS_INT替换成int;可以利用这个特性，将我们代码中的一些重要方法替换成别的方法名称。

编绎阶段

词法分析

通过如下指令对main.m进行词法分析处理，查看编绎阶段做了什么

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

可以看到，词法分析会把我们所写的代码按关键字、方法名、变量名、标点符号等等进行切割来进行分析.

语法分析

通过如下指令对main.m进行语法分析

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

语法分析的任务是验证语法是否正确，在词法分析的基础上将单词序列组合成各类语法短语，如程序、语句、表达式等等；然后中将所有结点组合成抽象语法树.

在进行词法分析和语法分析时，如果头文件找不到可以指定头文件

clang -isysroot 自已的SDK路经 -fmodules -fsyntax-only -Xclang -ast-dump main.m

中间代码

中间代码生成

完成以上步骤就可以开始生成中间代码（IR）了，代码生成器会将语法树自顶向下遍历翻译成LLVM的IR，通过以下命令可以生成.ll的文本文件

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

得到main.ll文件

使用Xcode打开main.ll文件（也可以用sublime Text打开）

下面介绍一些IR的基本语法

@全局标识；

%局部标识；

alloca开辟空间；

align内存对及；

i32 32个bit，4个字节;

store 写入内存；

load读取内存；

call调用函数；

ret调用函数。

有兴趣的同学可以根据这些基本语法去阅读一下IR代码，这里就不多介绍了.

中间代码的优化

在Xcode项目中，可以通过Apple Clang - Code generation的Optimization Level来对debug或release下的代码进行优化。

优化等级分为以下几种：

IR的优化

我们的LLVM优化等级分为-O0-O1-O2-O3-Os(第一个字母为大写的O)

通过以下代码可以生成优化后的IR代码：

clang -Os -S -fobjc-arc -emit-llvm main.m -o main1.ll

优化后的代码比上面没有优化的要少了很多代码。

bitCode的优化

Xcode 7以后开启bitcode苹果会做进一步的优化，生成.bc的中间代码，我们可以通过以下指令将IR优化后的代码生成.bc代码:

clang -emit-llvm -c main1.ll -o main1.bc

得到一个main1.bc文件，这个文件是经过bitcode优化以后的。

汇编代码

通过上面的操作我们得到了main.m、mian1.ll和main1.bc文件，这些通过这些文件可以生成汇编代码.

clang -S -fobjc-arc main1.bc -o mainBC.s

clang -S -fobjc-arc main1.ll -o mainLL.s

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

通过以上指令分别生成心以下代码：

分别打开这三个文件我们发现mainBC.s和mainLL.s文件总共有38行代码，main.s只有30行代码，说明第三个指令在生成汇编代码时进行了优化.

生成目标文件

目标文件的生成是汇编以汇编作为输入，将汇编代码转换为机器代码，最后输出目标文件通过以下指令生成目标文件:

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

再通过以下指令查看main.o目标不文件:

xcrun nm -nm main.o

main函数中的print是调用的其他库的，所以是undefined external的

undefined表示在当前文件暂时找不到符号;

external表示这个符号是外部可以访问的。

生成可执行文件

通过以下指令,连接器把编绎产生的.o文件和.dylib、.a文件生成一个mach-o文件

clang main.o -o main

查看main文件

xcrun nm -nm main

可以看到print函数指明了去libSystem中查找.

总结

LLVM就是苹果开发的一套将前后端分离的编绎器,Clang就是LLVM的一个子项目，以及知道了平常我们写的代码是通过预编绎-> 编绎（词法分析和语法分析）->中间代码生成和优化-> 生成汇编代码-> 生成目标文件-> 生成可执行文件，这一系列操作，最后得到了机器可以识别的mach-o文件.

LLVM介绍和Clang编译流程分析